Question

2．合成氨工業(yè)是基礎(chǔ)化學工業(yè)的重要組成部分．
（1）以NH₃與CO₂為原料可合成化肥尿素．
已知：
①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.5kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
則NH₃（g）與CO₂（g）合成CO（NH₂）₂（s）和H₂O（g）的熱化學方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1．
（2）工業(yè)合成氨在合成塔中進行，測得合成塔入口氣體體積比N₂：H₂：NH₃為6：18：1，出口氣體體積比N₂：H₂：NH₃為9：27：8，則H₂的轉(zhuǎn)化率為25%．
（3）為降低合成氨工業(yè)廢水的氨氮濃度，在厭氧氨氧化菌的催化作用下，使銨鹽與亞硝酸鹽反應(yīng)生成N₂，該反應(yīng)的離子方程式是NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厭氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O．
（4）猶他大學化學家發(fā)明了N₂/H₂生物燃料電池，以質(zhì)子交換膜為隔膜，室溫條件下合成了氨的同時還提供了電能（工作原理如圖1所示）．該生物燃料電池中，正極電極反應(yīng)式為N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃．

（5）NH₃可用于煙氣的脫硝，使煙氣中的NO還原為N₂．某研究小組研究了NH₃和NO在Ag₂O催化劑表面的反應(yīng)活性隨溫度的變化關(guān)系，實驗結(jié)果如圖2所示．在有氧條件下，溫度580K之后NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率降低的原因可能是催化劑活性降低．在溫度為420～580K時，有氧條件下NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率明顯高于無氧條件的原因可能是NO與O₂反應(yīng)生成NO₂，NO₂更易與NH₃反應(yīng)．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算①+②+③得到CO₂與NH₃合成尿素和液態(tài)水的熱化學反應(yīng)方程式；
（2）合成氨反應(yīng)為：N₂+3H₂?2NH₃，測得合成塔入口處氣體N₂、H₂、NH₃的體積比為6：18：1，設(shè)這三種氣體體積分別為6xL、18xL、xL，設(shè)H₂的轉(zhuǎn)化率為a，則參加反應(yīng)的氫氣體積為18xaL，出口處N₂、H₂、NH₃的體積分別為6x（1-a）L、（18x-18xa）L、（x+6xa）L，出口處N₂、H₂、NH₃的體積比為9：27：8，即6x（1-a）L：（18x-18xa）L：（x+6xa）L=9：27：8，據(jù)此計算氫氣轉(zhuǎn)化率；
（3）在厭氧氨氧化菌的催化作用下，使銨鹽與亞硝酸鹽反應(yīng)生成N₂和水；
（4）N₂/H₂生物燃料電池，以質(zhì)子交換膜為隔膜，室溫條件下合成了氨的同時還提供了電能，是發(fā)生原電池反應(yīng)，負極是氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極是氮氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；
（5）在有氧條件下，溫度580K之后NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率降低，是催化劑活性減小，在溫度為420～580K時，有氧條件下NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率明顯高于無氧條件，是一氧化氮和氧氣易發(fā)生反應(yīng)生成二氧化氮，二氧化氮與氨氣更易發(fā)生氧化還原反應(yīng)．

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.5kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
蓋斯定律計算①+②+③，則NH₃（g）與CO₂（g）合成CO（NH₂）₂（s）和H₂O（g）的熱化學方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1 ，
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1；
（2）合成氨反應(yīng)為：N₂+3H₂?2NH₃，測得合成塔入口處氣體N₂、H₂、NH₃的體積比為6：18：1，設(shè)這三種氣體體積分別為6xL、18xL、xL，設(shè)H₂的轉(zhuǎn)化率為a，則參加反應(yīng)的氫氣體積為18xaL，出口處N₂、H₂、NH₃的體積分別為6x（1-a）L、（18x-18xa）L、（x+12xa）L，出口處N₂、H₂、NH₃的體積比為9：27：8，即6x（1-a）L：（18x-18xa）L：（x+12xa）L=9：27：8，則氫氣轉(zhuǎn)化率a為25%，
故答案為：25%；
（3）在厭氧氨氧化菌的催化作用下，使銨鹽與亞硝酸鹽反應(yīng)生成N₂和水，反應(yīng)的離子方程式為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厭氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O，
故答案為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厭氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O；
（4）N₂/H₂生物燃料電池，以質(zhì)子交換膜為隔膜，室溫條件下合成了氨的同時還提供了電能，是發(fā)生原電池反應(yīng)，負極是氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極是氮氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，正極電極反應(yīng)N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃，
故答案為：N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃；
（5）在有氧條件下，溫度580K之后NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率降低的原因可能是催化劑活性降低，在溫度為420～580K時，有氧條件下NO生成N₂的轉(zhuǎn)化率明顯高于無氧條件的原因可能是：NO與O₂反應(yīng)生成NO₂，NO₂更易與NH₃反應(yīng)，
故答案為：催化劑活性降低；NO與O₂反應(yīng)生成NO₂，NO₂更易與NH₃反應(yīng)．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫、化學平衡計算、原電池原理分析、圖象變化趨勢的理解應(yīng)用，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．