Question

17．氨催化氧化是硝酸工業(yè)的基礎(chǔ)，在某催化劑作用下發(fā)生主反應(yīng)①和副反應(yīng)②：
①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905 kJ•mol^-1
②4NH₃（g）+3O₂（g）?2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1268 kJ•mol^-1
（1）寫出N₂氧化為NO的熱化學(xué)方程式N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+181.5kJ/mol該反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行，則AS＞0 （填“＞“＜”或“=”）
（2）t′℃時(shí)，在容積固定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)①，容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度如表：

濃度/mol•L-1 時(shí)間/min	c（NH3）	c（O2）	c（NO）	c（H2O）
起始	4.0	5.5	0	0
第2min	3.2	4.5	0.8	1.2
第4min	2.0	3.0	2.0	3.0
第6min	2.0	3.0	2.0	3.0

①第2min時(shí)改變了條件，改變的條件可能是D（從所給選項(xiàng)中選擇）；
A．降低溫度 B．增加了生成物 C．減小壓強(qiáng) D．使用了催化劑
②t℃時(shí)，在6min（t₁）后將裝置改為恒壓裝置，迅速通入一定量的氦氣，保持其他條件不變，在t₂時(shí)刻重新達(dá)到平衡，請(qǐng)?jiān)趫D1中畫出反應(yīng)再次達(dá)到平衡的圖象（標(biāo)出v（_正），v_（逆））

（3）以氨作為燃料的固體氧化物（含有O^2-）燃料電池是一種新型環(huán)保電池．寫出電池工作時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式$2N{H}_{3}+3{O}^{2-}-6{e}^{-}$═N₂+3H₂O
（4）某科研小組嘗試?yán)�用固體表面催化工藝進(jìn)行NO的分解．若用、、、分別表示N₂、NO₂、O₂和固體催化劑，則在固體催化劑表面分解NO的過 程可用圖2表示：
①從吸附到解吸的過程中，能量狀態(tài)最低的是C（填字母序號(hào)）．
②由上述原理，在催化劑表面進(jìn)行NO的分解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分解速率與濃度關(guān)系如圖2．從吸附和解吸過程分析，C₀后速率降低的原因可能是達(dá)到一定濃度后，NO分子濃度太大阻礙N₂和O₂的解吸．

Answer 1

分析 （1）N₂與O₂反應(yīng)可以得到NO，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)焓變，該反應(yīng)為高溫自發(fā)進(jìn)行，需滿足的條件為△H＞0，△S＞0；
（2）①反應(yīng)①為4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g），反應(yīng)是氣體量增加的可逆反應(yīng)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，結(jié)合勒夏特列原理解答；
②6min（t₁）后將裝置改為恒壓裝置，即整個(gè)體系在壓力不變的狀態(tài)下反應(yīng)，迅速通入氦氣，氦氣不參加反應(yīng)，但在恒壓裝置中起增大體系體積的作用，等效于對(duì)氣體進(jìn)行稀釋，結(jié)合勒夏特列原理解答；
（3）電池工作時(shí)負(fù)極失去電子發(fā)生電極反應(yīng)，NH₃和O^2-失去電子，由于是環(huán)保電池，產(chǎn)物應(yīng)為對(duì)環(huán)境無污染的產(chǎn)物，應(yīng)為N₂和H₂O；
（4）①結(jié)合固體催化劑的機(jī)理圖解答，整個(gè)反應(yīng)為2NO$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂+O₂，并根據(jù)題（1）的焓變來解答；
②結(jié)合機(jī)理圖和速率-濃度變化圖分析可能的原因，整個(gè)反應(yīng)在催化劑表面進(jìn)行，如果NO濃度太大，會(huì)阻礙產(chǎn)物N₂和O₂的解吸，從而影響NO的分解速率．

解答 解：（1）主反應(yīng)①為：4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H₁=-905kJ/mol，
               副反應(yīng)②為：4NH₃（g）+3O₂（g）?2N₂（g）+6H₂O（g）△H₂=-1268kJ/mol，
N₂與O₂反應(yīng)，產(chǎn)物為NO，方程式為N₂（g）+O₂（g）?2NO（g），此反應(yīng)可由$\frac{①-②}{2}$得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)?△H=\frac{△{H}_{1}-△{H}_{2}}{2}$=$\frac{-905+1268}{2}=+181.5kJ/mol$；該反應(yīng)在高溫下自發(fā)進(jìn)行，需滿足條件△H＞0，△S＞0．
故答案為：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+181.5kJ/mol；＞；
（2）①主反應(yīng)①為：4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H₁=-905kJ/mol，反應(yīng)過程中，氣體的量增加，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析選項(xiàng)，2min時(shí)，體系發(fā)生了反應(yīng)，生成0.8mol/L的NO和1.2mol/L的H₂O，
A．反應(yīng)焓變△H=-905kJ/mol＜0，表明反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度有助于反應(yīng)正向移動(dòng)，但降低溫度會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率變慢，從表中看出，0-2min，氨氣反應(yīng)了0.8mo/L；2-4min，氨氣反應(yīng)了1.2mol/L，反應(yīng)速率是增加的，不可能是降低溫度導(dǎo)致的，故A不選；
B．增加生成物最終達(dá)到平衡時(shí)會(huì)破壞不加生成物時(shí)的生成物之間的物質(zhì)的量之比，從表中數(shù)據(jù)可知，從反應(yīng)開始到平衡，生成物的物質(zhì)的量之比沒有發(fā)生改變，故B不選；
C．該反應(yīng)是氣體的量增多的反應(yīng)，相當(dāng)于反應(yīng)過程中體系的壓強(qiáng)是增大的，若減小壓強(qiáng)，將會(huì)導(dǎo)致平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，但減小壓強(qiáng)將導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率變慢，由A的分析可知，化學(xué)反應(yīng)的速率是加快的，則改變的條件不是減小壓強(qiáng)，故C不選；
D．使用催化劑，催化劑能加快反應(yīng)速率，但不改變平衡的移動(dòng)，符合，故D可選．
故選D；
②6min（t₁）后將裝置改為恒壓裝置，恒壓下通入氦氣，氦氣不參加反應(yīng)，相當(dāng)于給體系進(jìn)行稀釋，等效于給體系減壓，根據(jù)勒夏特列原理，反應(yīng)平衡向增壓方向移動(dòng)，圖象上表現(xiàn)為速率變化不在連接著之前的線，對(duì)體系稀釋都將導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率減小，平衡正向移動(dòng)，則v_正＞v_逆，圖象為，
故答案為：．
（3）氨作為燃料的燃料電池，含有O^2-，在負(fù)極NH₃應(yīng)失去電子，發(fā)生電極反應(yīng)，考慮到是環(huán)保電池，則產(chǎn)物應(yīng)為N₂和H₂O，其中N₂是由NH₃中N元素變化而來，H元素與O元素結(jié)合生成H₂O，根據(jù)電子得失守恒，負(fù)極的電極反應(yīng)方程式為：$2N{H}_{3}+3{O}^{2-}6{e}^{-}$═N₂+3H₂O．故答案為：$2N{H}_{3}+3{O}^{2-}-6{e}^{-}$═N₂+3H₂O；
（4）①從機(jī)理圖可以看出，首先A狀態(tài)中，NO被吸附到催化劑表面，B狀態(tài)為NO變成N原子和O原子，這個(gè)過程需要吸收能量，C狀態(tài)為N原子和N原子結(jié)合變成N₂，O原子和O原子結(jié)合變成O₂，這個(gè)過程為成鍵過程，需要放出能量，則從整個(gè)反應(yīng)過程來看，反應(yīng)是2NO$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂+O₂，由第（1）問可知，此反應(yīng)的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，則此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)焓變△H＜0，可見生成物狀態(tài)時(shí)，體系能量最低，據(jù)此，可大致做出反應(yīng)的能量變化圖：，則能量最低的是C．
故答案為C；
②由分解速率與濃度關(guān)系的變化圖可知，當(dāng)NO的濃度達(dá)到c₀后，分解速率降低，整個(gè)反應(yīng)都是在催化劑表面進(jìn)行，當(dāng)NO濃度太大時(shí)，占據(jù)催化劑表面，可能會(huì)導(dǎo)致主體反應(yīng)的反應(yīng)所需的空間減小，繼而阻礙N₂和O₂的解吸，解吸過程是生成N₂和H₂最終離開催化劑表面，如果解吸受阻，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物濃度增加，根據(jù)勒夏特列原理，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，產(chǎn)生的結(jié)果就是NO的分解速率下降．
故答案為：達(dá)到一定濃度后，NO分子濃度太大阻礙N₂和O₂的解吸．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式，焓變的計(jì)算，化學(xué)平衡的移動(dòng)，影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，電化學(xué)等知識(shí)，考查的知識(shí)點(diǎn)較多，比較綜合，有助于培養(yǎng)從原理角度分析化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)．題目難度中等．