Question

7．氮及其化學物在合成化肥，藥物等方面具有廣泛用途．
（1）已知反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₂（g）△H＜0，現(xiàn)分別在200℃、400℃、600℃時，按n（N₂）：n（H₂）=1：3向容器中投料發(fā)生該反應，當反應達到平衡時，體系中NH₃的物質(zhì)的量分數(shù)隨壓強的變化曲線如圖1所示．
①曲線a對應的溫度是200℃．
②關于工業(yè)合成氮的反應，下列敘述正確的是AD．
A．縮小容器體積可以提高H₂的轉化率．
B．M點對應N₂的轉化率是25%
C．如圖1中M、N、Q三點平衡常數(shù)K的大小關系是K（M）=K（Q）＜K（N）
D．若N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，則此時該反應的化學平衡常數(shù)K≈0.93
（2）硫酸銨是培養(yǎng)酵母菌的氨源，酸性染料染色助染劑，常溫下，向某硫酸鈉溶液中滴加適量氨水，恰好使混合溶液呈中性，此時溶液中c（NH₄⁺）=填“＞”“＜”或“=”）2c（SO₄^2-）．
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一種非常重要的高效氮肥，工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料生產(chǎn)尿素的反應如下：
該反應實際為二步反應：
第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1 快
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1 慢
Ⅰ．寫出工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol．
Ⅱ．某實驗小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5L的恒容密閉器中投入4mol氨氣和1mol二氧化碳，實驗測得反應中部分組成物質(zhì)的量隨時間的變化如圖2所示．
①合成尿素總反應的快慢由二步反應決定．
②在0～10min內(nèi)，第一步反應的速率v（NH₃）=0.296mol•L^-1•min^-1．
③在圖3中畫出第二步反應的平衡常數(shù)K隨溫度T的變化曲線．
（4）利用氨氣設計一種環(huán)保燃料電池，其工作原理如圖4所示，一極通入氨氣，另一極通入空氣，電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y₂O₂）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，它在熔融狀態(tài)下能傳導O^2-．通入氨氣的電極為負極（填“正極”或“負極”），寫出負極的電極反應式：2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）①相同壓強下，升高溫度平衡逆向移動，氨氣含量降低；
②A．縮小容器體積相當于增大壓強，平衡正向移動；
B．M點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為60%，利用三段式，設N₂轉化率是x
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    1        3         0
轉化    x       3x        2x
平衡   1-x     3-3x      2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，計算x即為氮氣轉化率；
C．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，化學平衡常數(shù)減��；
D．N點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}×100%=20%}\\{2ab=0.2}\end{array}\right.$
解得$\left\{\begin{array}{l}{a=0.3}\\{b=\frac{1}{3}}\end{array}\right.$，據(jù)此計算平衡常數(shù)K；
（2）溶液呈中性，則c（H⁺）=c（OH^-），根據(jù)電荷守恒判斷離子濃度；
（3）Ⅰ．將兩個方程式相加即得NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式，焓變進行相應的改變；
Ⅱ．①合成尿素總反應的快慢由第二步反應決定；
②在0～10min內(nèi)，第一步反應的速率v（CO₂）=$\frac{\frac{1-0.26}{0.5}}{10}$ mol•L^-1•min^-1=0.148mol•L^-1•min^-1，v（NH₃）=2v（CO₂）；
③第二步的正反應是吸熱反應，升高溫度平衡正向移動；
（4）該燃料電池中，通入氨氣的電極是負極，通入氧氣的電極是正極，負極上氨氣失電子和氧離子反應生成氮氣和水，正極上氧氣得電子生成氧離子．

解答 解：（1）①相同壓強下，升高溫度平衡逆向移動，氨氣含量降低，根據(jù)圖知，a、b、c的溫度分別是200℃、400℃、600℃，故答案為：200℃；
②A．縮小容器體積相當于增大壓強，平衡正向移動，氫氣轉化率增大，故A正確；
B．M點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為60%，利用三段式，設N₂轉化率是x
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    1        3         0
轉化    x       3x        2x
平衡   1-x     3-3x      2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，x=75%，
故B錯誤；
C．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，化學平衡常數(shù)減小，M、Q溫度相同其化學平衡常數(shù)相等，M溫度小于N，則M化學平衡常數(shù)大于N，所以這三點化學平衡常數(shù)K（M）=K（Q）＞K（N）
，故C錯誤；
D．N點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}×100%=20%}\\{2ab=0.2}\end{array}\right.$
解得$\left\{\begin{array}{l}{a=0.3}\\{b=\frac{1}{3}}\end{array}\right.$，據(jù)此計算平衡常數(shù)K；
化學平衡常數(shù)K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）．（3a-3ab）^{3}}$=0.93，故D正確；
故選AD；
（2）混合溶液呈中性，所以c（H⁺）=c（OH^-），根據(jù)電荷守恒得c（NH₄⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（OH^-），則c（NH₄⁺）=2c（SO₄^2-），故答案為：=；
（3）I.2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H₁=-272kJ•mol^-1；
H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+138kJ•mol^-1；
則將兩個方程式相加可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=△H₁+△H₂=-272kJ•mol^-1+138kJ•mol^-1=-134kJ/mol；
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
II．①合成尿素總反應的快慢由第二步反應決定，
故答案為：二；
②在0～10min內(nèi)，第一步反應的速率v（CO₂）=$\frac{\frac{1-0.26}{0.5}}{10}$ mol•L^-1•min^-1=0.148mol•L^-1•min^-1，v（NH₃）=2v（CO₂）=2×0.148mol•L^-1•min^-1=0.296mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.296；
③第二步的正反應是吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，平衡常數(shù)增大，其圖象為，
故答案為：；
（4）該燃料電池中，通入氨氣的電極是負極，通入氧氣的電極是正極，負極上氨氣失電子和氧離子反應生成氮氣和水，正極上氧氣得電子生成氧離子，負極反應式為2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O，
故答案為：負極；2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O．

點評 本題考查較綜合，涉及蓋斯定律、原電池原理、化學平衡計算、化學平衡移動影響因素等知識點，為高頻考點，側重考查學生分析、計算及知識綜合運用能力，注意：化學平衡常數(shù)只與溫度有關，與物質(zhì)轉化率及物質(zhì)濃度都無關，難點是電極反應式的書寫，題目難度中等．