Question

20．氮及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活中有重要作用．請按要求回答下列相關(guān)問題：
（1）食品添加劑銨明礬NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O高溫可分解，下列關(guān)于其分解產(chǎn)物的預(yù)測不合理 的是C．
A．NH₃、N₂、SO₂、H₂O           B．NH₃、SO₃、H₂O
C．NH₃、SO₂、H₂O               D．NH₃、N₂、SO₃、SO₂、H₂O
（2）汽車發(fā)動機(jī)工作時也會引發(fā)N₂和O₂反應(yīng)產(chǎn)生大氣污染物NO，其能量變化示意圖如圖1則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+183.8kJ/mol．
（3）工業(yè)合成氨的反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，分別在T₁、T₂溫度下，改變起始?xì)錃馕镔|(zhì)的量，測得平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)如圖2所示：
①比較在m、n、q三點所處的平衡狀態(tài)中，反應(yīng)物N₂的轉(zhuǎn)化率最高的是P點．
②T₂條件下，在2L的密閉容器中，充入x mol N₂和 y mol H₂時，3min達(dá)平衡，此時反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率均為a，寫出下列僅含a、x的表達(dá)式（不必化簡）：v（N₂）=$\frac{xa}{6}$mol•L^-1•min^-1；該反應(yīng)的平衡常數(shù)的值K=$\frac{16（xa）{\;}^{2}}{（x-xa）（3x-3xa）{\;}^{3}}$．
③圖象中T₂低于T₁（填“高于”、“低于”、“等于”或“無法確定”）．
④科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺ ）實現(xiàn)氨的電化學(xué)合成，這提高了氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率．寫出電化學(xué)合成過程中發(fā)生還原反應(yīng)的電極方程式：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
（4）將質(zhì)量相等的四份鐵粉和銅粉的均勻混合物，分別加入同濃度稀硝酸充分反應(yīng)，（假設(shè)硝酸的還原產(chǎn)物只有NO）實驗數(shù)據(jù)如下表：

編 號	①	②	③	④
稀硝酸體積/mL	100mL	200mL	300mL	400mL
剩余金屬/g	18.0g	9.6g	0	0
NO體積/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）	2.24L	4.48L	6.72L	V

下列有關(guān)分析推斷正確的是AC．
A．硝酸起始濃度為4mol/L                      B．①中溶解了5.6g Fe
C．③中n（Cu²⁺）=0.15mol                    D．④中V=6.72L

Answer 1

分析 （1）根據(jù)反應(yīng)前后元素化合價變化情況是否合理來分析；
（2）根據(jù)能量變化圖計算反應(yīng)熱，反應(yīng)熱=吸收的總能量-放出的總能量，再根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)則書寫；
（3）①根據(jù)平衡轉(zhuǎn)化率的判斷，兩種或兩種以上的反應(yīng)物，增加其中一種物質(zhì)的物質(zhì)的量，提高另外一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，自身的轉(zhuǎn)化率降低；
②利用三段式結(jié)合化學(xué)反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$，K=$\frac{c（NH{\;}_{3}）^{2}}{c（N{\;}_{2}）{c}^{3}（H{\;}_{2}）}$進(jìn)行計算；
③根據(jù)升高溫度，平衡向吸熱方向移動，降低溫度，平衡向放熱方向移動判斷；
④有氧化還原知識判斷反應(yīng)物和生成物，根據(jù)化合價變化確定得電子數(shù)目，根據(jù)反應(yīng)所處的介質(zhì)補H⁺；
（4）由表中數(shù)據(jù)可知，實驗①②都有金屬剩余，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實驗①的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為18g-9.6g=8.4g，生成NO的體積為4.48L-2.24L=2.24L，NO物質(zhì)的量為0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)金屬的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應(yīng)金屬的平均摩爾質(zhì)量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應(yīng)，故實驗①、②只有Fe參與反應(yīng)；
在實驗②的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為9.6g，生成NO的體積為6.72L-4.48L=2.24L，NO物質(zhì)的量為0.1mol，若該過程只有Cu參加反應(yīng)，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則Cu的物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，Cu的質(zhì)量=0.15mol×64g/mol=9.6g，等于參加反應(yīng)金屬的質(zhì)量，故該過程只有Cu反應(yīng)，且Cu恰好完全反應(yīng)，所以加入200mL硝酸時Fe恰好反應(yīng)生成硝酸亞鐵；
在實驗③的基礎(chǔ)上再加入100mL硝酸，為硝酸與溶液中亞鐵離子反應(yīng)生成NO，根據(jù)亞鐵離子的物質(zhì)的量，利用電子轉(zhuǎn)移守恒計算該階段生成NO的物質(zhì)的量，進(jìn)而計算V的值．

解答 解：（1）A、生成N₂，N元素化合價升高了，生成SO₂，S元素化合價降低了，符合氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測合理，故A正確；
B、生成NH₃、SO₃、H₂O均沒有化合價變化，為非氧化還原反應(yīng)，預(yù)測合理，故B正確；
C、生成SO₂，S元素化合價降低，生成SO₃，沒有元素化合價的升高，不符合氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測不合理，故C錯誤；
D、既有元素化合價的升高又有元素化合價的降低，預(yù)測合理，故D正確．
故選：C；
（2）根據(jù)題意寫出對應(yīng)的方程式：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=吸收的總能量-放出的總能量=945.8KJ/mol+498KJ/mol-2×630KJ/mol=183.8KJ/mol，
故答案為：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+183.8 kJ/mol；
（3）①根據(jù)平衡轉(zhuǎn)化率的判斷，兩種或兩種以上的反應(yīng)物，增加其中一種物質(zhì)的物質(zhì)的量，提高另外一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，自身的轉(zhuǎn)化率降低，故H₂的物質(zhì)的量越大，N₂的轉(zhuǎn)化率越高，所以P點的轉(zhuǎn)化率最高；
故答案為：P；
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）           
起始濃度：$\frac{x}{2}$       $\frac{y}{2}$        0
變化濃度：$\frac{xa}{2}$     $\frac{3xa}{2}$      xa
平衡濃度：$\frac{x-xa}{2}$    $\frac{y-3xa}{2}$  xa
因為反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率均為a，所以y=3x，
v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{xa}{6}$mol•L^-1•min^-1
K=$\frac{c（NH{\;}_{3}）^{2}}{c（N{\;}_{2}）{c}^{3}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{（xa）{\;}^{2}}{\frac{（x-xa）}{2}×\frac{（y-3xa）{\;}^{3}}{8}}$=$\frac{16（xa）{\;}^{2}}{（x-xa）（3x-3xa）{\;}^{3}}$
故答案為：$\frac{xa}{6}$mol•L^-1•min^-1；$\frac{16（xa）{\;}^{2}}{（x-xa）（3x-3xa）{\;}^{3}}$；
③（垂直于x軸作一條輔助線，選擇H₂的物質(zhì)的量相同的，溫度不同的兩個點）假設(shè)T₂＞T₁，升高溫度有T₁到T₂，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，
溫度升高平衡逆向移動，NH₃%減小，與圖象所示相反，故假設(shè)錯了，應(yīng)該是T₁＞T₂；
故答案為：低于；
④由題意可知：寫出電化學(xué)合成過程中發(fā)生還原反應(yīng)，是化合價升高的反應(yīng)，從總方程式可知，N₂到NH₃，2個0價的N到2個-3價的N得到6個電子，
根據(jù)題目中告訴傳導(dǎo)H⁺，故根據(jù)電荷守恒，式子左邊不6H⁺，得電極反應(yīng)式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（4）A、實驗①中生成硝酸亞鐵0.15mol，NO是0.1mol，實驗根據(jù)氮原子守恒可知，參加反應(yīng)的硝酸是0.15mol×2+0.1mol=0.4mol，所以稀硝酸的濃度是0.4mol÷0.1L=4mol/L，故A正確；
B、鐵的金屬性強(qiáng)于銅，所以稀硝酸首先氧化單質(zhì)鐵，然后再氧化單質(zhì)銅．由表中數(shù)據(jù)可知，實驗①②中金屬均過量，所以鐵的氧化產(chǎn)物是硝酸亞鐵．實驗②比實驗①多溶解了18.0g-9.6g=8.4g金屬，而還原產(chǎn)物NO多了4.48L-2.24L=2.24L，即物質(zhì)的量是0.1mol，轉(zhuǎn)移0.1mol×（5-2）=0.3mol．所以8.4g金屬也轉(zhuǎn)移0.3mol電子，因此金屬的相對原子質(zhì)量=8.4÷（0.3÷2）=56，這說明溶解的金屬恰好是鐵，因此實驗①中也恰好溶解了8.4g鐵，故B錯誤；
C、實驗③比實驗②多溶解了9.6g金屬，多生成的NO是6.72L-4.48L=2.24L，物質(zhì)的量是0.1mol，轉(zhuǎn)移0.1mol×（5-2）=0.3mol．如果9.6g金屬恰好是銅，則移電子$\frac{9.6g}{64g/mol}$×2=0.3mol，這說明9.6g金屬就是Cu，n（Cu²⁺）=$\frac{0.3mol/L}{2}$=0.15mol/L，故C正確；      
D．實驗③中，金屬去不溶解，但由于溶液中含有Fe²⁺，所以繼續(xù)加入硝酸或繼續(xù)產(chǎn)生NO，④中V＞6.72 L，故D錯誤．
故答案為：AC．

點評 本題目為綜合性題目，考查了熱化學(xué)方程式的書寫，化學(xué)平衡的三段式計算，影響化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率的因素及給定條件下電極反應(yīng)式的書寫（注意反應(yīng)的酸堿介質(zhì)問題）．特別是第（4）題，本題考查混合物的有關(guān)計算，根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷各階段發(fā)生的反應(yīng)是解題關(guān)鍵，側(cè)重對學(xué)生綜合能力的考查，本題過程復(fù)雜、計算量較大，為易錯題目，難度較大．