Question

8．氮及其化合物在科技、社會生活中有著廣泛的應用．請按要求回答下列問題．
（1）已知：N₂（g）+2O₂（g）═2NO₂（g）△H=-67.7kJ/mol
N₂H₄（g）+O₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ/mol
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ/mol
火箭常用N₂O₄作氧化劑，肼（N₂H₄）作燃料，請寫出氣態(tài)胼在氣態(tài)N₂O₄中燃燒生成氮氣和氣態(tài)水的熱化學方程式：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6kJ•mol^-1．
（2）氮的氧化物間的平衡轉(zhuǎn)化如圖1所示：A是恒溫恒容的容器，B是耐腐蝕、易導熱、容積可變的密閉透明氣囊．關閉K₂，將各l mol NO₂通過K_l、K₃分別充入A、B中，反應起始時A、B的體積相同均為aL．

①可用于判斷B中可逆反應2NO₂（g）?N₂O₄（g）已經(jīng)達到平衡的標志是（寫出一項）氣囊不再變小或顏色不再變化．
②容器A中到達平衡所需時間3s，達到平衡后容器內(nèi)壓強為起始壓強的0.8倍，則平均化學反應速率V（N₂O₄）=$\frac{1}{15a}$mol/（L．s）；平衡常數(shù)的值K=$\frac{5a}{9}$．
若此時打開K₂，平衡后B容器的體積縮至0.3a L，則打開K₂之前，氣球B體積為0.65aL．
若原平衡后在A容器中再充入0.6mol N₂O₄，則重新到達平衡后，平衡混合氣中NO₂的體積分數(shù)（填寫“變大”、“變小”或“不變”）減�。�
（3）以N₂、H₂為電極反應物、HCl-NH₄Cl為電解質(zhì)溶液，使用新型電極材料，可制造出一種既能提供電能，又能實現(xiàn)氮固定的新型燃料電池，原理如圖2所示：
①該燃料電池的負極為（填“a“或“b“）b．
②電池正極反應式為N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺．

Answer 1

分析 （1）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律可知②×2-①-③得2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g），△H=（-534.0kJ•mol^-1）×2-（-67.7kJ•mol^-1）-（-52.7kJ•mol^-1）=-947.6 kJ•mol^-1，由此分析解答；
（2）①反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，平衡時各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化；
②壓強之比等于物質(zhì)的量之比，平衡時混合氣體物質(zhì)的量為1mol×0.8=0.8mol，則：
           2NO₂（g）?N₂O₄（g）
起始量（mol）：1        0
轉(zhuǎn)化量（mol）：x        0.5x
平衡量（mol）：1-x      0.5x
所以1-x+0.5x=0.8，解得x=0.4，
則v（N₂O₄）=$\frac{\frac{0.2mol}{aL}}{3s}$=$\frac{1}{15a}$mol/（L．s），K=$\frac{\frac{0.2}{a}}{（\frac{0.6}{a}）^{2}}$=$\frac{5a}{9}$；根據(jù)等效平衡分析；若平衡后向A中再充入0.6molN₂O₄，等效為在原平衡基礎上增大壓強，平衡正向移動；
（3）①氫氣由0價變成+1價，化合價升高發(fā)生氧化反應，b是負極；
②氮氣在正極獲得電子，酸性條件下生成NH₄⁺，電極反應式為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺．

解答 解：（1）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律可知②×2-①-③得2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g），
△H=（-534.0kJ•mol^-1）×2-（-67.7kJ•mol^-1）-（-52.7kJ•mol^-1）=-947.6 kJ•mol^-1，
即熱化學方程式為2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1，
故答案為：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1；
（2）①B是一個氣體壓強不變的容器，所以當反應達到平衡狀態(tài)時，混合氣體的顏色和氣囊體積不再改變，
故答案為：氣囊不再變小或顏色不再變化；
②壓強之比等于物質(zhì)的量之比，平衡時混合氣體物質(zhì)的量為1mol×0.8=0.8mol，則：
           2NO₂（g）?N₂O₄（g）
起始量（mol）：1        0
轉(zhuǎn)化量（mol）：x        0.5x
平衡量（mol）：1-x      0.5x
所以1-x+0.5x=0.8，解得x=0.4，
則v（N₂O₄）=$\frac{\frac{0.2mol}{aL}}{3s}$=$\frac{1}{15a}$mol/（L．s），K=$\frac{\frac{0.2}{a}}{（\frac{0.6}{a}）^{2}}$=$\frac{5a}{9}$；打開K₂，則相當于是在等溫等壓時的平衡，因此平衡時等效的．由于此時反應物的物質(zhì)的量是B中的二倍，所以打開K₂之前，氣球B體積為（aL+0.3aL）÷2=0.65aL，若平衡后向A中再充入0.6molN₂O₄，等效為在原平衡基礎上增大壓強，平衡正向移動，重新到達平衡后，平衡混合氣中NO₂的體積分數(shù)減小，
故答案為：$\frac{1}{15a}$mol/（L．s）；$\frac{5a}{9}$；0.65a； 減�。�
（3）①氫氣由0價變成+1價，化合價升高發(fā)生氧化反應，是負極，故答案為：b；
②氮氣在正極獲得電子，酸性條件下生成NH₄⁺，電極反應式為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺．

點評 本題考查化學平衡計算，涉及等效平衡問題，較好的考查學生分析解決問題能力，關鍵是等效平衡途徑的建立，難度中等．