Question

19．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．最近一些科學家研究采用高質(zhì)子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定-一電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率．
總反應式為N₂+3H₂$?_{一定條件下}^{SCT陶瓷}$2NH₃．則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入陽極（填“陰”或“陽”）；向另一電極通入N₂，該電極的反應式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
Ⅱ．據(jù)報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發(fā)生反應，主要產(chǎn)物為NH₃．相應的反應方程式為：2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q
（1）上述反應的平衡常數(shù)表達式為$\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，反應相同時間后，測得氮氣的體積分數(shù)φ（N₂）與反應溫度T的關(guān)系曲線如圖1所示，則上述反應的Q＞0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反應在有催化劑的情況下發(fā)生，則圖2所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應體系能量變化的是d（填字母代號），圖中△H絕對值為1530kJ•mol^-1．

Ⅲ．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，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol．
（1）達平衡時，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，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當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，應在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應，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計量數(shù)冪乘積與反應物平衡濃度化學計量數(shù)冪乘積的比；
（2）開始為到達平衡，氮氣體積分數(shù)最大時到達平衡狀態(tài)，而后升高溫度，氮氣的體積分數(shù)減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應為吸熱反應；
（3）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，催化劑不影響反應熱；
Ⅲ．（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，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為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，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當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，應在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應，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）開始為到達平衡，氮氣體積分數(shù)最大時到達平衡狀態(tài)，而后升高溫度，氮氣的體積分數(shù)減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應為吸熱反應，則△H＞0，
故答案為：＞；
（3）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，催化劑不影響反應熱，圖中曲線d符合，
故答案為：d；
Ⅲ．（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，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為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，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為a₂，當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 本題考查化學平衡計算與影響因素、電解原理應用、等效平衡等，Ⅲ中（2）注意理解等效平衡規(guī)律，難度中等．