Question

13．德國化學(xué)家哈伯從1902年開始研究由氮?dú)夂蜌錃庵苯雍铣砂保�合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)原理為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
一種利用天然氣合成氨的簡易流程如下：

天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過兩次轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過二氧化碳脫除等工序，得到氮?dú)浠旌蠚�，進(jìn)入氨合成塔，制得產(chǎn)品氨．
（1）根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，為提高合成氨的生產(chǎn)效率，選擇氨合成塔中適宜的生產(chǎn)條件是適宜的高溫、高壓和催化劑．
（2）CH₄與水蒸氣制氫氣的反應(yīng)為CH₄（g）+H₂O （g）?CO （g）+3H₂（g），在2L的密閉容器中，將物質(zhì)的量各1mol的CH₄和H₂O （g）混合反應(yīng)，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如下圖所示：

①該反應(yīng)的△H＞0（填＞、＜）．
②圖中壓強(qiáng)P₁＜P₂（填＞、＜）．
③200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=69.1（mol•L^-1）²（保留一位小數(shù)）．
（3）NH₃經(jīng)過催化氧化生成NO，以NO為原料通過電解的方法可以制備NH₄NO₃，其總反應(yīng)是8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$ 3NH₄NO₃+2HNO₃，試寫出以惰性材料作電極的陰極反應(yīng)式：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；陽極反應(yīng)式：NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺；電解過程中需要補(bǔ)充一種物質(zhì)才能使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃，該物質(zhì)是氨氣．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)合成氨的反應(yīng)為氣體減小的放熱反應(yīng)分析；
（2）①由圖可知，壓強(qiáng)不變，溫度越高CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率越大，故溫度升高平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
②溫度容積不變，增大壓強(qiáng)平衡向體積減小的方向移動(dòng)即逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率越小，據(jù)此判斷；
③平衡常數(shù)指生成物濃度的系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪之積的比值，根據(jù)CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率，利用三段式計(jì)算出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，進(jìn)而求出平衡時(shí)各組分的濃度，代入平衡常數(shù)計(jì)算；
（3）電解NO制備NH₄NO₃，陰極上NO得電子生成NH₄⁺和H₂O，陽極上NO失電子生成NO₃^-，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒判斷需要加入物質(zhì)．

解答 解：（1）因?yàn)楹铣砂钡姆磻?yīng)為氣體減小的放熱反應(yīng)，所以低溫高壓反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較大，但低溫速率較慢，催化劑活性較低，所以氨合成塔中適宜的生產(chǎn)條件是適宜的高溫，高壓和催化劑，
故答案為：適宜的高溫，高壓和催化劑；
（2）①由圖可知，壓強(qiáng)不變，溫度越高CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率越大，故溫度升高平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，所以正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，即△H＞0，
故答案為：＞；
②溫度容積不變，增大壓強(qiáng)平衡向體積減小的方向移動(dòng)即逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率越小，所以壓強(qiáng)越大，CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率越小，則P₁＜P₂，
故答案為：＜；
③200℃，CH₄（g）的轉(zhuǎn)化率0.8，所以參加反應(yīng)的CH₄（g）的物質(zhì)的量為0.8mol．
對(duì)于反應(yīng)     CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）；
開始（mol）：1        1         0       0
變化（mol）：0.8     0.8       0.8     2.4
平衡（mol）：0.2     0.2       0.8     2.4
所以200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.8}{2}×（\frac{2.4}{2}）^{3}}{\frac{0.2}{2}×\frac{0.2}{2}}$=69.1（mol•L^-1）²；
故答案為：69.1（mol•L^-1）²；
（3）電解NO制備NH₄NO₃，陽極反應(yīng)為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應(yīng)為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應(yīng)可看出，要使得失電子守恒，陽極產(chǎn)生的NO₃^-的物質(zhì)的量大于陰極產(chǎn)生的NH₄⁺的物質(zhì)的量，總反應(yīng)方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH₄NO₃，需補(bǔ)充NH₃，
故答案為：NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺；NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；NH₃．

點(diǎn)評(píng) 本題以氨氣為載體考查了氧化還原反應(yīng)、電解原理、化學(xué)平衡等知識(shí)點(diǎn)，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力，注意把握電解原理以及電極方程式的書寫、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算．