Question

20．工業(yè)合成氨與制備硝酸一般可連續(xù)生產(chǎn)，流程如圖1：

（1）工業(yè)生產(chǎn)時，制取氫氣的一個反應(yīng)為：CO+H₂O（g）?CO₂+H₂．t℃時，往1L密閉容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸氣．反應(yīng)建立平衡后，體系中c（H₂）=0.12mol•L^-1．該溫度下此反應(yīng)的平衡常數(shù)K=1（填計算結(jié)果）．
（2）合成塔中發(fā)生反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．下表為不同溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)．由此可推知，表中T₁＜300℃（填“＞”、“＜”或“=”）．

T/℃	T1	300	T2
K	1.00×107	2.45×105	1.88×103

（3）N₂和H₂在鐵作催化劑作用下從145℃就開始反應(yīng)，不同溫度下NH₃的產(chǎn)率如圖2所示．溫度高于900℃時，
NH₃產(chǎn)率下降的原因是溫度高于900℃時，平衡向左移動．
（4）硝酸廠的尾氣含有氮的氧化物，如果不經(jīng)處理直接排放將污染空氣．目前科學(xué)家探索利用燃料氣體中的甲烷等將氮的氧化物還原為氮氣和水，反應(yīng)機理為：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
則甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（5）氨氣在純氧中燃燒，生成一種單質(zhì)和水，試寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：4NH₃+3O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2N₂+6H₂O，科學(xué)家利用該反應(yīng)的原理，設(shè)計成氨氣--氧氣燃料電池，則通入氨氣的電極是：負極 （填“正極”或“負極”）；堿性條件下，該電極發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為2NH₃-6e-+6OH^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)平衡常數(shù)表達式結(jié)合三行式計算化學(xué)平衡常數(shù)；
（2）對于放熱反應(yīng)，溫度越高，K越小，反之越大；
（3）對于放熱反應(yīng)，溫度升高，則化學(xué)平衡向逆向移動；
（4）根據(jù)蓋斯定律來計算反應(yīng)的焓變，進而書寫熱化學(xué)方程式；
（5）氨氣在純氧中燃燒，生成氮氣和水，燃料電池中，燃料做負極．

解答 解：（1）C0+H₂O（g）?CO₂+H₂，
初始濃度：0.2 0.3 0 0
變化濃度：0.12 0.12 0.12 0.12
平衡濃度：0.08 0.28 0.12 0.12
化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.12×0.12}{0.08×0.28}$=1，
故答案為：1；
（2）該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，對于放熱反應(yīng)，溫度越高，K越小，T₁＜573K，
故答案為：＜；
（3）對于放熱反應(yīng)，溫度升高，則化學(xué)平衡向逆向移動，所以氨氣的產(chǎn)率減小，
故答案為：溫度高于900℃時，平衡向左移動；
（4）根據(jù)題意：①$\frac{1}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）═2NO（g）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）+H₂O（g）△H=$\frac{1}{2}$×（-574kJ•mol^-1）=-287kJ•mol^-1；
$\frac{1}{2}$CH₄（g）+2NO（g）═N₂（g）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）+H₂O（g）△H=$\frac{1}{2}$×（-1160kJ•mol^-1）=-580kJ•mol^-1；
根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以看成是①+②，所以△H=-287kJ•mol^-1-580kJ•mol^-1=-867kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（5）氨氣在純氧中燃燒，生成氮氣和水，化學(xué)方程式為：4NH₃+3O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2N₂+6H₂O，在燃料電池中，燃料做負極，則通入氨氣的電極是負極，堿性條件下，該電極發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為2NH₃-6e-+6OH^-→N₂+6H₂O，
故答案為：4NH₃+3O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2N₂+6H₂O；負極；2NH₃-6e-+6OH^-=N₂+6H₂O．

點評 本題是一道工業(yè)合成氨的綜合性知識題目，可以根據(jù)所學(xué)知識進行回答，難度較大．