Question

【題目】空氣中有豐富的氮氣，科學家展開了向空氣要氨氣的系列研究。

（1）已知：2H2（g）＋O2（g）=2H2O（l） ΔH＝a kJ·mol－1

N2（g）＋O2（g） =2NO（g） ΔH＝b kJ·mol－1

4NH3（g）＋5O2（g） =4NO（g）＋6H2O（l） ΔH＝c kJ·mol－1

工業上合成氨反應N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＝ _______ kJ·mol－1

（2）以懸浮的納米Fe2O3作催化劑，H2O和N2為原料直接常壓電化學合成氨方面取得了突破性進展。其工作原理如圖所示：

①Ni電極處發生的總反應為： N2＋6e－＋6H2O=2NH3＋6OH－

已知該反應分為兩步，其中第二步的反應為2Fe＋3H2O＋N2=2NH3＋Fe2O3，則第一步反應為 _______ 。

②蒙乃爾篩網處發生的電極反應為： _______ 。

（3）NH3可以合成尿素，反應為2NH3（g）＋CO2（g）CO（NH2）2（g）＋H2O（g）。向一體積可變的恒壓容器中充入一定量的NH3和CO2，保持容器的溫度不變，NH3和CO2的轉化率隨時間的變化如圖所示。

①下列情況能說明反應達到平衡狀態的是 _______ 。

A NH3和CO2的物質的量之比為2∶1

B 容器內氣體的密度保持不變

C 2v正（NH3）＝v逆（CO2）

D 各氣體的體積分數保持不變

②起始時NH3和CO2的物質的量之比為 _______ 。

③維持容器的溫度和壓強不變，向上述平衡后的容器中充入NH3（g）、CO（NH2）2（g）和H2O（g）各1 mol，則達到新平衡時NH3的體積分數為 _______ 。

Answer 1

【答案】（b＋ － ） Fe2O3＋6e－＋3H2O=2Fe＋6OH－ 4OH－－4e－=2H2O＋O2↑ BD 3∶1 52.94%

【解析】

(1)可根據蓋斯定理由已知反應求得目標反應的焓變；

(2)觀察其工作原理圖可知，Ni電極變化為N2→NH3，發生還原反應，是陰極，則蒙乃爾篩網處是陽極，發生氧化反應。

(3)①反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各組分的濃度保持不變及由此衍生的其他物理量進行分析；

②設起始時NH3和CO2的物質的量分別為n(NH3)、n(CO2)，反應消耗的CO2的物質的量為x，結合方程式列三段式，結合氨氣、二氧化碳的轉化率進行分析計算，求出n（NH3）:n（CO2）；

③維持容器的溫度和壓強不變，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，進行轉化，通過把生成物全部轉化為反應物后，可知轉化后比值相等，與原平衡等效，則達到新平衡時NH3的體積分數與原平衡相同，所以，只需計算原平衡中NH3的體積分數即可。

(1)由已知：①2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH＝a k·mol-1

②N2(g)+O2(g) =2NO(g) ΔH＝b k·mol-1

③4NH3(g)+5O2(g) =4NO(g)+6H2O(l) ΔH＝c k·mol-1

根據蓋斯定理，可由①×+②-③×得反應：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，則ΔH＝ (b+ - )k·mol-1。答案為：(b+ - )

(2)①用總反應減第二步的反應得：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-。答案為：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-

②蒙乃爾篩網處是陽極，OH-放電，發生氧化反應：4OH--4e-=2H2O+O2↑。答案為：4OH--4e-=2H2O+O2↑

(3)①A. NH3和CO2的物質的量之比為2∶1時不一定達到平衡，A選項錯誤；

B. 反應體系條件為恒溫恒壓，平衡移動，氣體物質的量變化，所以氣體體積也變化，而體系氣體質量不變，所以密度會隨平衡的移動而變化，密度不變時反應達到平衡狀態，B選項正確；

C. 由2v正(NH3)＝v逆(CO2)，得v正(NH3)：v逆(CO2)=1：2，不等于計量數之比，反應沒有達到平衡狀態，C選項錯誤；

D. 根據化學平衡狀態的定義，平衡時各組分的百分含量保持不變，D選項正確；

答案為：BD

②設起始時NH3和CO2的物質的量分別為n(NH3)、n(CO2)，反應消耗的CO2的物質的量為x，則有：

，

解得：

答案為：3∶1

③維持容器的溫度和壓強不變，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，進行轉化:

轉化后比值相等，與原平衡等效，則達到新平衡時NH3的體積分數與原平衡相同，所以，只需計算原平衡中NH3的體積分數即可。

在②的計算中，n(NH3)=3n(CO2)，x=0.6 n(CO2)，則平衡時總物質的量為n(NH3)- 2x+ n(CO2)-x+ x + x = n(NH3)+ n(CO2)-x=3.4 n(CO2)，則達到新平衡時NH3的體積分數為：

答案為：52.94%