Question

（2013?日照一模）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(yīng)式為：N₂（g）+3H₂（g）

通電

一定條件

2NH₃（g）
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

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

．
（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玉密閉容器中，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)在有人化劑的情況下發(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

（選填字母代號），圖（2）中△H的絕對值為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^-1．
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=

-570kJ?mol^-1

．

（2）在一定溫度下，將1mol N₂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α₁=

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α₂，當(dāng)α₁+α₂=1時，則起始時NH₃的物質(zhì)的量n（NH₃）

2

mol．

Answer 1

分析：Ⅰ．在電解池中，陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，陰極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，根據(jù)電解的總反應(yīng)來書寫電極反應(yīng)；
Ⅱ．（1）平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積；
（2）曲線的變化先增大后變小．我們知道溫度升高反應(yīng)速率加快．在此題中，反應(yīng)相同時間，低溫下的兩點是未達(dá)到平衡的兩點，隨溫度的升高，氮氣的體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高而變大，曲線的最高點是某溫度下達(dá)到平衡的點，之后的兩點，皆是平衡后的氮氣的體積分?jǐn)?shù)，且隨溫度升高而降低，則生成氨氣的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，即此反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；
（3）根據(jù)（2）的結(jié)論，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，應(yīng)從c、d曲線中找答案，使用催化劑可以降低反應(yīng)的活化能；
Ⅲ．（1）根據(jù)蓋斯定律求出目標(biāo)反應(yīng)方程式，求出反應(yīng)熱；
（2）根據(jù)差量法求出參加反應(yīng)的H₂，然后求出轉(zhuǎn)化率；
（3）根據(jù)題意可以判斷出是從正逆兩個方向建立的平衡，由此推斷出起始時NH₃的物質(zhì)的量為2mol．

解答：解：Ⅰ．跟據(jù)總反應(yīng)式：N₂+3H₂

通電

一定條件

2NH₃，氫氣發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，則在電解法合成氨的過程中，應(yīng)將H₂不斷地通入陽極，在另一電極通入N₂，發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，即N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

，故答案為：

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

；
（2）曲線的變化先增大后變�。�我們知道溫度升高反應(yīng)速率加快．在此題中，反應(yīng)相同時間，低溫下的兩點是未達(dá)到平衡的兩點，隨溫度的升高，氮氣的體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高而變大，曲線的最高點是某溫度下達(dá)到平衡的點，之后的兩點，皆是平衡后的氮氣的體積分?jǐn)?shù)，且隨溫度升高而降低，則生成氨氣的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，即此反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，即△H＞0，故答案為：＞；
（3）根據(jù)（2）的結(jié)論，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，應(yīng)從c、d曲線中找答案，使用催化劑可以降低反應(yīng)的活化能，因此應(yīng)該選d；
故答案為：d；
Ⅲ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=-1530kJ?mol^-1 ①
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1 ②
②×

2

3

-①×

1

3

，得：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=2/3×（-93 kJ?mol^-1）-1/3×（-1530 kJ?mol^-1）=-570kJ?mol^-1；
故答案為：-570kJ?mol^-1；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△n
         1       3          2        2
                1.8mol          （4-2.8）mol
 H₂的轉(zhuǎn)化率α₁為轉(zhuǎn)化率為

1.8mol

3mol

×100%=60%；
故答案為：60%；
②根據(jù)題意可以判斷出是從正逆兩個方向建立的平衡，由此推斷出起始時NH₃的物質(zhì)的量為2mol，所以起始時NH₃的物質(zhì)的量2mol，故答案為：2．

點評：本題以人工固氮為載體來考查化學(xué)反應(yīng)原理中的電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)的限度（平衡態(tài)的建立、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)平衡與反應(yīng)熱），難度中等．