Question

3．氮及其化合物在工農業(yè)生產和生命活動中起著重要的作用，銨鹽、硝酸鹽均是植物生長的“食物”，將氮氣轉化為氮氣是植物獲得“食物”的第一步，在常溫常壓下使N₂高效地轉化成為NH₃是眾多科學家們一直在探究的問題：
（1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化熱△H=+44kJ•mol^-1
據報道，科學家已找到一種催化劑，使氨氣與液態(tài)水在常溫條件下轉化為NH₃及氧氣，寫出反應的熱化學方程式2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol；
（2）工業(yè)時合成氨的原理為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．圖1表示H₂的轉化率與溫度、壓強之間的關系，圖2表示H₂的轉化率與起始投料比[n（N₂）/n（H₂）]、壓強的變化關系，則T₁、T₂、T₃的大小關系為T₁＞T₂＞T₃，曲線與曲線對應的壓強P₁＞P₂（填“＞”“＜”“=”）．測得B（X，60）點時N₂的轉化率為40%，則X=1：2
（3）一定溫度下，將2molN₂和6molH₂置于一密閉容器中反應，測得平衡時容器的總壓為aMPa，NH₃的物質的量總數為20%，列式計算出此時的平衡常數K_p=$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$（用平衡分壓代替平衡濃度進行計算，分壓=總壓×體積分數，可不化簡）．下列各項中能說明反應已達到平衡狀態(tài)的是a．
a．混合氣體的平均相對分子質量不變 b．N₂的消耗速率等于NH₃的生成速率
c．混合氣體的密度不變 d．N₂和H₂的物質的量之比保持不變
（4）NH₃催化劑生成NO，以NO為原料通過電解的方法可以制備NH₄NO₃，其總反應是8NO+7H₂═3NH₄NO₃+2HNO₃，試寫出以惰性材料作電極的陰極反應式：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O．電解過程中為使電解產物全部轉化為NH₄NO₃，需要補充NH₃的原因是總反應中有HNO₃生成，應補充NH₃與HNO₃反應生成NH₄NO₃．

Answer 1

分析 （1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化熱△H=+44kJ•mol^-1，則可得：③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律，②×2+③×6-①可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）；
（2）正反應為放熱反應，溫度越高，氫氣的轉化率越低；
正反應為氣體物質的量減小的反應，壓強越大，氫氣的轉化率越大；
測得B（X，60）點時N₂的轉化率為40%，則：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：a      b
變化量（mol）：0.4a   1.2a
根據氫氣的轉化率可得$\frac{1.2a}$=60%，即b=2a，可以計算起始投料比[n（N₂）/n（H₂）]；
（3）一定溫度下，將2molN₂和6molH₂置于一密閉容器中反應，二者氨氣1：3反應，故平衡時二者物質的量分數之比為1：3，平衡時NH₃的物質的量分數為20%，則N₂的物質的量分數為$\frac{1}{4}$×（1-20%）=20%，H₂的物質的量分數為1-20%-20%=60%，再計算各物質的分壓，代入Kp=$\frac{{P}^{2}（N{H}_{3}）}{P（{N}_{2}）×{P}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
a．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體總物質的量減小，則平均相對分子質量減小，混合氣體的平均相對分子質量不變，說明反應到達平衡；
b．平衡時NH₃的生成速率等于N₂的消耗速率的2倍；
c．混合氣體總質量不變、容器的容積不變，密度為常數；
d．N₂和H₂的起始物質的量之比等于化學計量數之比，二者物質的量之比始終為1：3；
（4）NH₃催化劑生成NO，以NO為原料通過電解的方法可以制備NH₄NO₃，其總反應是：8NO+7H₂O=3NH₄NO₃+2HNO₃，陰極發(fā)生還原反應，陰極上是NO獲得電子生成NH₄⁺，由電荷守恒可知有H⁺參與反應，還生成水，電池總反應中有HNO₃生成，應補充NH₃與HNO₃反應生成NH₄NO₃．

解答 解：（1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化熱△H=+44kJ•mol^-1，則可得：③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律，②×2+③×6-①可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol，
故答案為：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol；
（2）正反應為放熱反應，溫度越高，氫氣的轉化率越低，則T₁＞T₂＞T₃；
正反應為氣體物質的量減小的反應，壓強越大，氫氣的轉化率越大，則：P₁＞P₂；
測得B（X，60）點時N₂的轉化率為40%，則：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：a      b
變化量（mol）：0.4a 1.2a
根據氫氣的轉化率可得$\frac{1.2a}$=60%，即b=2a，則X=$\frac{a}$=$\frac{a}{2a}$=1：2，
故答案為：T₁＞T₂＞T₃；1：2；
（3）一定溫度下，將2molN₂和6molH₂置于一密閉容器中反應，二者氨氣1：3反應，故平衡時二者物質的量分數之比為1：3，平衡時NH₃的物質的量分數為20%，則N₂的物質的量分數為$\frac{1}{4}$×（1-20%）=20%，H₂的物質的量分數為1-20%-20%=60%，平衡時容器總壓為aMPa，則Kp=$\frac{{P}^{2}（N{H}_{3}）}{P（{N}_{2}）×{P}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$；
a．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體總物質的量減小，則平均相對分子質量減小，混合氣體的平均相對分子質量不變，說明反應到達平衡，故a正確；
b．平衡時NH₃的生成速率等于N₂的消耗速率的2倍，故b錯誤；
c．混合氣體總質量不變、容器的容積不變，密度始終不變，故c錯誤；
d．N₂和H₂的起始物質的量之比等于化學計量數之比，二者物質的量之比始終為1：3，故d錯誤，
故答案為：$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$；a；
（4）NH₃催化劑生成NO，以NO為原料通過電解的方法可以制備NH₄NO₃，其總反應是：8NO+7H₂O=3NH₄NO₃+2HNO₃，陰極發(fā)生還原反應，陰極上是NO獲得電子生成NH₄⁺，由電荷守恒可知有H⁺參與反應，還生成水，電極反應式為：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O，電池總反應中有HNO₃生成，應補充NH₃與HNO₃反應生成NH₄NO₃，
故答案為：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O；總反應中有HNO₃生成，應補充NH₃與HNO₃反應生成NH₄NO₃．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡影響因素、平衡狀態(tài)判斷、熱化學方程式書寫、電解原理等，是對學生綜合能力的考查，難度中等．