Question

【題目】氮的固定意義重大，氮肥的使用大面積提高了糧食產量。人工固氮最有效的方法是合成氦，一種工業合成氨的簡易流程如圖所示(凈化、后期處理等流程未列出)：

回答下列問題：

Ⅰ.步驟A制氫氣的原理之一是CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H=a kJ/mol

(1)已知：H2、CH4的燃燒熱分別為285.8kJ/mol、890.31k/mol；H2O(g)H2O(l) H=-44kJ/mol則a=____kJ/mol。

(2)在密閉容器中，既能加快反應速率，又一定能提高平衡體系中H2體積分數的措施是_____(填序號)。

a.加入催化劑 b.升高溫度 c.降低壓強 d.增大c(H2O)

Ⅱ.步驟B完成了原料氣準備后，通過步驟C合成氨，其原理為N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H=-92.4kJ/mol。

(3)若T℃下，向一個容積為2L的真空密閉容器中(有催化劑)通入lmol N2、3mol H2，1分鐘后達到化學平衡狀態，測得容器內的壓強是開始時的0.8倍。則：

①下列敘述可說明該反應已經達到化學平衡狀態的是______(填序號)。

a.3v(H2)正=2v(NH3)逆 b.混合氣體的平均相對分子質量不再發生改變

c.混合氣體的密度不再發生改變 d. 1個N≡N鍵斷裂的同時有3個H—H鍵生成

②t分鐘內v(H2)=_______。

③T℃下該反應的K=___________(列出計算式即可)。

④一定條件下，向體積相同的甲(含催化劑)、乙兩個容器中分別充入等物質的量的N2和等物質的量的H2進行合成氨反應，均反應1小時、測得N2的轉化率隨溫度變化如圖所示，a、b、c三點中達到化學平衡狀態的點有_________，乙裝置中N2轉化率隨著溫度的升高先升后降的原因可能是______。

(4)我國科學家成功研制出一種高效電催化固氮催化劑Mo2N，其固氮原理如圖所示，該裝置中，陰極上的電極反應式為______。

Answer 1

【答案】+164.89 b bd mol/(L·min) ac 因合成氨反應的H＜0，隨溫度升高N2的轉化率應降低，但c點之前N2轉化率增大，說明反應未達平衡狀態，c點后為隨溫度升高平衡逆向移動的結果 N2+6H++6e－=2NH3

【解析】

(1)因為 ①H2(g)+O2(g)=H2O(l) H=-285.8kJ/mol，②CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+2H2O(l) H=-890.31k/mol，③H2O(g)H2O(l) H=-44kJ/mol，根據蓋斯定律②-①4+③2得：CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) H=+164.89kJ/mol，故答案：+164.89；

(2)根據CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H=+164.89 kJ/mol，在密閉容器中進行的反應：

a.加入催化劑不會改變化學平衡移動，故a 不符合題意；

b.升高溫度既能加快反應速率，又能使平衡向著吸熱方向移動，即提高了平衡體系中H2體積分數，故b 符合題意；

c.降低壓強反應速率 減慢，故c不符合題意；

d.增大c(H2O)，沒有注明狀態，無法判斷，故d不符合題意；

故答案：b。

(3)①a.根據N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H=-92.4kJ/mol反應，若T℃下2v(H2)正=3v(NH3)逆說明該反應已經達到化學平衡狀態，故a不符合題意；

b.混合氣體的平均相對分子質量數值等于摩爾質量=，氣體的總質量是個定值，而反應前后化學計量數不等，所以當混合氣體的平均相對分子質量不再發生改變，說明該反應已經達到化學平衡狀態，故b符合題意；

c.混合氣體的密度=，因為體積一定，氣體的質量不變，所以混合氣體的密度是定值，故混合氣體的密度不再發生改變，不說明該反應已經達到化學平衡狀態，故c不符合題意；

d. 1個N≡N鍵斷裂說明反應正向進行，同時有3個H—H鍵生成說明反應逆向進行，且正逆反應速率相等，故1個N≡N鍵斷裂的同時有3個H—H鍵生成可以證明該反應已經達到化學平衡狀態，故d符合題意；

故答案：bd。

②若T℃下根據反應可知

根據阿伏加德羅定律：=,即=，解得x=0.4，所以 t分鐘內v(H2)==mol/(L·min)；

③T℃下該反應的平衡常數K==；

④由圖像可知，a點隨溫度的升高，N2的轉化率應降低，說明平衡逆向移，所以a點是反應達到平衡點；因合成氨反應的H＜0，隨溫度升高N2的轉化率應降低，但c點之前乙裝置中 N2轉化率增大，說明反應未達平衡狀態，c點后為隨溫度升高平衡逆向移動和正向移動的交點，所以c點是達到平衡的點，故答案：ac；因合成氨反應的H＜0，隨溫度升高N2的轉化率應降低，但c點之前乙裝置中 N2轉化率增大，說明反應未達平衡狀態，c點后為隨溫度升高平衡逆向移動的結果；

(4)由裝置圖進料口可知：充入N2的一端為陰極，得電子發生還原反應，電解質溶液為稀鹽酸，所以陰極上的電極反應式為N2+6H++6e－=2NH3，故答案：N2+6H++6e－=2NH3。