Question

12．人工固氮是指將氮元素由游離態(tài)轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的過程．
Ⅰ．最近一些科學(xué)家研究采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定---電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率．總反應(yīng)式為：N₂+3H₂$?_{一定條件}^{SCT陶瓷}$2NH₃．則在電解法合成氨的過程中，應(yīng)將H₂不斷地通入陽極（填“陰”或“陽”）；向另一電極通入N₂，該電極的反應(yīng)式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
Ⅱ．據(jù)報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發(fā)生反應(yīng)，主要產(chǎn)物為NH₃，相應(yīng)的反應(yīng)方程式為：2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q
（1）上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$．
（2）取五份等體積N₂和H₂O的混合氣體（物質(zhì)的量之比均為1：3），分別加入體積相同的恒容密閉容器中，在溫度不相同的情況下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)相同時間后，測得氮氣的體積分?jǐn)?shù)φ（N₂）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系曲線如圖1所示，則上述反應(yīng)的Q＞0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反應(yīng)在有催化劑的情況下發(fā)生，則如圖2所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應(yīng)體系能量變化的是d（填字母代號），圖中△H絕對值為1530kJ•mol^-1．
Ⅲ．目前工業(yè)合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-93.0KJ/mol．
回答下列問題：
（1）結(jié)合II中的數(shù)據(jù)，則2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g） 的△H=-572KJ/mol．
（2）在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol．
①達(dá)平衡時，H₂的轉(zhuǎn)化率a₁=60%．
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達(dá)到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當(dāng)a₁+a₂=1時，則起始時NH₃的物質(zhì)的量n（NH₃）2mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．在電解法合成氨的過程中，氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應(yīng)，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質(zhì)子結(jié)合生成氨氣；
Ⅱ．（1）平衡常數(shù)為生成物平衡濃度化學(xué)計量數(shù)冪乘積與反應(yīng)物平衡濃度化學(xué)計量數(shù)冪乘積的比；
（2）開始未到達(dá)平衡，氮氣體積分?jǐn)?shù)最大時到達(dá)平衡狀態(tài)，而后升高溫度，氮氣的體積分?jǐn)?shù)減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；
（3）正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則反應(yīng)物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應(yīng)熱只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，催化劑不影響反應(yīng)熱；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g），焓變也進(jìn)行相應(yīng)計算；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol，設(shè)參加反應(yīng)的氮氣為xmol，則：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
變化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
再根據(jù)平衡時總物質(zhì)的量列方程計算解答；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達(dá)到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當(dāng)a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉(zhuǎn)化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂．

解答 解：Ⅰ．在電解法合成氨的過程中，氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應(yīng)，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質(zhì)子結(jié)合生成氨氣，陰極電極反應(yīng)式為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$，故答案為：$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
（2）開始未到達(dá)平衡，氮氣體積分?jǐn)?shù)最大時到達(dá)平衡狀態(tài)，而后升高溫度，氮氣的體積分?jǐn)?shù)減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則△H＞0，
故答案為：＞；
（3）正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則反應(yīng)物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應(yīng)熱只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，催化劑不影響反應(yīng)熱，圖中曲線d符合，
故答案為：d；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H═-572KJ/mol；
故答案為：-572KJ/mol；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol，設(shè)參加反應(yīng)的氮氣為xmol，則：
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1       3         0
變化量（mol）：x       3x        2x
平衡量（mol）：1-x     3-3x      2x
故1-x+3-3x+2x=2.8，解得x=0.6，故氫氣的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1.8mol}{3mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達(dá)到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當(dāng)a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉(zhuǎn)化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂，則n（NH₃）=2mol，
故答案為：2．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、電解原理應(yīng)用、等效平衡等，Ⅲ中（3）注意理解等效平衡規(guī)律，難度中等．