Question

氨是最重要的氮肥，是產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一．
（1）傳統(tǒng)的工業(yè)合成氨技術(shù)的反應(yīng)原理是：N₂（g）+3H₂（g）

催化劑

高溫高壓

2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol．在500℃、20MPa時，將N₂、H₂置于一個固定容積的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過程中各種物質(zhì)的量變化如圖所示，回答下列問題：
①計算反應(yīng)在第一次平衡時的平衡常數(shù)K=

 

．（保留二位小數(shù)）
②產(chǎn)物NH₃在5～10min、20～25min和45～50min時平均反應(yīng)速率[平均反應(yīng)速率分別以v₁、v₂、v₃表示]從大到小排列次序為

 

．
③H₂在三次平衡階段的平衡轉(zhuǎn)化率分別以α₁、α₂、α₃表示，其中最小的是

 

．
④在25min和45min時，采取的措施分別是

 

；
（2）科學(xué)家一直致力研究常溫、常壓下合成氨的新方法．曾有實驗報道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃和另一種常見氣體．進(jìn)一步研究NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實驗數(shù)據(jù)見下表（光照、N₂壓力1.0×10⁵Pa、反應(yīng)時間3h）．

T/K	303	313	323
NH3生成量/（10?6mol）	4.8	5.9	6.0

①寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

②與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法中固氮反應(yīng)速率慢．請?zhí)岢鲆粭l可提高其反應(yīng)速率且增大NH₃生成量的建議：

 

．
（3）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⁺）實現(xiàn)氨的電解法合成，大大提高了氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率．總反應(yīng)式為：N₂+3H₂

通電  .

2NH₃．則在電解法合成氨的過程中，應(yīng)將H₂不斷地通入

 

極（填“正”、“負(fù)”、“陰”或“陽”）；在另一電極通入N₂，該電極反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡的計算,反應(yīng)速率的定量表示方法,化學(xué)平衡的影響因素,電解原理

專題：化學(xué)平衡專題,電化學(xué)專題

分析：（1）①根據(jù)圖示數(shù)據(jù)得出第一次達(dá)到平衡時反應(yīng)物和生成物濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式計算出第一次平衡時平衡常數(shù)K；
②根據(jù)反應(yīng)速率的表達(dá)式：v=

△c

△t

，時間變化都是5min，根據(jù)濃度變化判斷v₁、v₂、v₃；
③根據(jù)表中達(dá)到平衡狀態(tài)時氫氣的濃度計算出氫氣的轉(zhuǎn)化率，然后判斷H₂在三次平衡階段的平衡轉(zhuǎn)化率大��；
④25min時氨氣的濃度為0、氫氣和氮氣的濃度逐漸減小，據(jù)此進(jìn)行分析改變的條件；根據(jù)45min時氫氣、氮氣濃度減小、氨氣濃度增加進(jìn)行判斷；
（2）①根據(jù)反應(yīng)條件、反應(yīng)物與生成物中化合價變化判斷另一種反應(yīng)產(chǎn)物，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；
②根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率以及平衡移動的因素分析；
（3）根據(jù)原電池反應(yīng)原理判斷氫氣、氮氣應(yīng)該通入的電極，寫出氮氣發(fā)生的電極反應(yīng)式．

解答： 解：（1）①第一次達(dá)到平衡常數(shù)時，氨氣的濃度為：2.00mol/L，氫氣濃度為：3.00mol/L，氮氣的濃度為：1.00mol/L，
第一次平衡時平衡常數(shù)K=

2.002

1.00×3.002

≈0.15，
故答案為：0.15；
②5～10min氨氣的濃度變化大于0.5mol/L，20～25min氨氣濃度變化為0，45～50min氨氣的濃度變化小于0.50.5mol/L，時間變化為5min，由v=

△c

△t

可知，反應(yīng)速率關(guān)系為：v₁＞v₃＞v₂，
故答案為：v₁＞v₃＞v₂；
③第一次平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率為：

6.0-3.0

6.0

×100%=50%，第二次平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率為：

3.00-1.86

3.00

×100%=38%，第三次達(dá)到平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率為：

1.86-1.50

1.86

×100%≈19.4%，顯然第三次氫氣的轉(zhuǎn)化率最低，即最小的是α₃，
故答案為：α₃；
④25min時生成物氨氣的物質(zhì)的量濃度為0、氮氣和氫氣的濃度逐漸減小，說明從反應(yīng)體系中移出產(chǎn)物氨氣，平衡向著正向移動；
45min時，氨氣的濃度增大，氮氣、氫氣的濃度減小，化學(xué)平衡平衡向著正向移動，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，說明降低了溫度，
故答案為：從反應(yīng)體系中移出產(chǎn)物、降低溫度；
（2）①在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃和另一種常見氣體，根據(jù)化合價變化可知，氮元素化合價降低，水中的元素化合價升高，則生成產(chǎn)物為氧氣，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：N₂+3H₂O

光照

催化劑

 2NH₃+O₂ ，
故答案為：N₂+3H₂O

光照

催化劑

 2NH₃+O₂ ；
②該反應(yīng)正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而增大NH₃生成量，升高溫度也能提高反應(yīng)速率；增大反應(yīng)N₂濃度，加快反應(yīng)速率，并使化學(xué)平衡向右移動；不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系，使平衡向右移動，增大NH₃生成量，
故答案為：適當(dāng)升高溫度、增大反應(yīng)物N₂的濃度；
（3）電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，所以氫氣不斷通入陽極；陰極氮氣得到電子結(jié)合氫離子反應(yīng)生成氨氣，電極反應(yīng)為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

點評：本題考查了化學(xué)平衡的計算、化學(xué)平衡常數(shù)的計算、影響化學(xué)平衡的因素、物質(zhì)的量濃度變化隨時間變化的曲線，題目難度中等，注意掌握影響化學(xué)平衡的因素、化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式、化學(xué)平衡的計算中差量法的應(yīng)用，試題培養(yǎng)了學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力．