Question

3．氮及其化合物有廣泛應(yīng)用，回答下列問題．
（1）氨氣是一種重要的工業(yè)原料，工業(yè)上利用氮氣和氫氣在一定條件下合成氨氣：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H．該反應(yīng)過程中的能量變化如圖1所示（E₁＞0，E₂＞0）．

圖中E₁代表的意義是反應(yīng)物的活化能．反應(yīng)熱△H的表達式為E₁-E₂ （用E₁、E₂表示）．
（2）NH₃催化還原氮氧化物（SCR）技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣氮氧化物脫除技術(shù)．反應(yīng)原理如圖2所示：
①圖3是不同催化劑Mn和Cr在不同溫度下對應(yīng)的脫氮率，由圖綜合考慮可知最佳的催化劑和相應(yīng)的溫度分別為Mn、200-250℃．
②用Fe做催化劑時，在氨氣足量的情況下，不同c（NO₂）/c（NO）對應(yīng)的脫氮率如圖4所示，脫氮效果最佳的c（NO₂）/c（NO）=1：1．已知生成11.2L N₂（標況下）反應(yīng)放出的熱量為Q kJ，此時對應(yīng)的脫氮反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）?2N₂（g）+3H₂O（g）△H=-4QkJ/mol．
（3）工業(yè)上合成尿素的反應(yīng)：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （l）△H．
在一個真空恒容密閉容器中充入CO₂和NH₃發(fā)生上述反應(yīng)，恒定溫度下混合氣體中NH₃的體積分數(shù)如圖5所示．
A點的正反應(yīng)速率v_正（CO₂）＞B點的逆反應(yīng)速率v_逆（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”）；CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為37.5%．
（4）尿液也能發(fā)電！化學(xué)家正在研究尿素動力燃料電池，用這種電池直接去除城市廢水中的尿素，既能產(chǎn)生凈化的水又能發(fā)電，其電池工作原理為2CO（NH₂）₂+3O₂═2N₂+2CO₂+4H₂O．電解質(zhì)溶液為硫酸，則負極的電極反應(yīng)式為CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-=CO₂+N₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）E₁代表的意義是反應(yīng)物的活化能；反應(yīng)中反應(yīng)物的能量高于生成物的能量，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，焓變小于零，根據(jù)焓變的含義來回答；
（2）①溫度越高，對設(shè)備的要求越高，所以如果催化劑在較低溫度下能較大程度的脫氫即可；根據(jù)縱坐標判斷，相同溫度下，脫氫率越高的效果越好；
②據(jù)圖象進行分析，脫氮效果最佳的c（NO₂）/c（NO）=1：1；生成1mol氮氣放出QkJ熱量，則生成2mol氮氣放出2QkJ熱量；
（3）圖象分析氨氣的體積分數(shù)從50%變化為20%后體積分數(shù)保持不變，說明B點反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，A點氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進行達到平衡狀態(tài)，A點的正反應(yīng)速率大于B點的正反應(yīng)速率；依據(jù)氨氣的體積分數(shù)結(jié)合平衡三段式列式計算平衡轉(zhuǎn)化率；
（4）由尿素燃料電池的結(jié)構(gòu)可知，正極上氧氣得到電子生成水，負極上尿素失去電子生成氮氣和二氧化碳．

解答 解：（1）E₁代表的意義是反應(yīng)物的活化能；根據(jù)圖中信息得到：反應(yīng)物的能量高于生成物的能量，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，焓變=產(chǎn)物的能量-反應(yīng)物的能量，圖中，E₁是普通分子變?yōu)榛罨�分子吸收的能量，E₂ 是活化分子之間的反應(yīng)生成產(chǎn)物的能量變化，E₁-E₂ 是反應(yīng)物和產(chǎn)物的能量之差，反應(yīng)是放熱的，所以焓變=E₁-E₂ ＜0，
故答案為：反應(yīng)物的活化能；E₁-E₂ ；
（2）①根據(jù)圖象知，脫氫率越高越好，但Cr作催化劑時溫度高于Mn，溫度越高，對設(shè)備要求越高，增大生產(chǎn)成本，且脫氫率增大較小，所以使用Mn作催化劑較好；根據(jù)圖象知，在溫度為200-250℃或范圍內(nèi)間任意溫度，脫氫率較高，
故答案為：Mn；200-250℃；
②據(jù)圖象進行分析，脫氮效果最佳的c（NO₂）/c（NO）=1：1；生成0.5mol氮氣放出QkJ熱量，則生成2mol氮氣放出4QkJ熱量，則其熱化學(xué)反應(yīng)方程式為2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）?2N₂（g）+3H₂O（g）△H=-4QkJ/mol，
故答案為：1：1；2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）?2N₂（g）+3H₂O（g）△H=-4QkJ/mol；
（3）氨氣的體積分數(shù)從50%變化為20%后體積分數(shù)保持不變，說明B點反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，A點氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進行達到平衡狀態(tài)，A點的正反應(yīng)速率大于B點的正反應(yīng)速率，故v_正（CO₂）＞v_逆（CO₂）；
設(shè)氨氣為50mol，二氧化碳為50mol，氨氣消耗的物質(zhì)的量x，開始氨氣體積分數(shù)為50%，則
             2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）
起始量（mol） 50       50        0               0
變化量（mol） x     0.5x        0.5x             0.5x
平衡量（mol） 50-x   50-0.5x    0.5x             0.5x
平衡時氨氣的體積分數(shù)為20%，故$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，解得x=37.5mol，
故CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.5×37.5mol}{50mol}$=37.5%，
故答案為：＞；37.5%；
（4）由尿素燃料電池的結(jié)構(gòu)可知，負極上尿素失去電子生成氮氣和二氧化碳，負極反應(yīng)為CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-=CO₂+N₂+6H⁺，
故答案為：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-=CO₂+N₂+6H⁺．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算及原電池、反應(yīng)熱等，為高頻考點，把握化學(xué)平衡三段法、轉(zhuǎn)化率的計算、電極反應(yīng)為解答的關(guān)鍵，側(cè)重分析與計算能力的考查，注意平衡移動原理的應(yīng)用，題目難度中等．