Question

9．德國化學(xué)家哈伯發(fā)明的合成氨技術(shù)使大氣中的氮?dú)庾兂闪松�產(chǎn)氮肥永不枯竭的廉價來源，解救了世界糧食危機(jī)獲1918年諾貝爾化學(xué)獎．現(xiàn)模擬工業(yè)制氨的過程，通過查閱資料，獲得以下鍵能數(shù)據(jù)：

化學(xué)鍵	N≡N	H-H	N-H
鍵能/（kJ/mol）	946	436	391

（1）計算工業(yè)合成氨反應(yīng)的反應(yīng)熱：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92kJ/mol
（2）一定溫度下，向一個恒壓容器中充入0.6mol N₂和0.5mol H₂，在一定溫度下進(jìn)行反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），達(dá)到化學(xué)平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1}{6}$，此時容器的體積為1L．
①該溫度時容器中平衡體系的平衡常數(shù)是10mol²/L²．
②若保持平衡時的溫度和壓強(qiáng)不變，繼續(xù)向平衡體系中通入0.9mol N₂，則平衡將逆向（填“正向”，“逆向”或“不”）移動．
（3）在兩個壓強(qiáng)相等，溫度分別為T₁和T₂的容器中充入由1mol N₂和3molH₂組成的混合氣體，發(fā)生反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），平衡后改變?nèi)萜黧w積，容器內(nèi)N₂的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)的變化如圖1所示．據(jù)圖1判斷下列說法正確的是b

a．A、B、C三點(diǎn)的平衡常數(shù)大小關(guān)系：K_A＜K_B＜K_C
b．A點(diǎn)和B點(diǎn)混合氣體的密度大小關(guān)系：A＜B
c．A點(diǎn)和C點(diǎn)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量大小關(guān)系：A＞C
（4）合成氨工業(yè)會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物CO₂，工業(yè)上常用高濃度的K₂CO₃溶液吸收CO₂，得溶液X，再利用電解法K₂CO₃溶液再生，其裝置如圖2所示：
①在陽極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)有4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑和H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑．
②簡述CO₃^2-在陰極區(qū)再生的原理溶液中HCO₃^-存在電離平衡：HCO₃^-=CO₃^2-+H⁺（1分），陰極H⁺放電，c（H⁺）減少平衡右移CO₃^2-再生（或陰極H⁺放電，使c（OH^-）增大，OH^-與HCO₃^-反應(yīng)生成CO₃^2-）．
③再生裝置中產(chǎn)生的CO₂和H₂在一定條件下反應(yīng)生成甲醇，工業(yè)上利用該反應(yīng)合成甲醇．已知：25℃，101KPa下：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₁=-484kJ/mol
2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂ （g）+4H₂O（g）△H₂=-1352kJ/mol
寫出CO₂和H₂生成1molCH₃OH（g）的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)的焓變△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能；
（2）①恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），達(dá)到化學(xué)平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1}{6}$，容器體積為1L，計算平衡時各組分的濃度，據(jù)此計算反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)；
②若保持平衡時的溫度和壓強(qiáng)不變，繼續(xù)向平衡體系中通入0.9mol N₂，由于是恒壓裝置，相當(dāng)于對體系稀釋，等效為減壓，則反應(yīng)平衡向增壓方向移動；
（3）根據(jù)圖象，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于反應(yīng)正向進(jìn)行，平衡時N₂的量增多，則溫度T₂＞T₁，
a．平衡常數(shù)只隨溫度的改變而改變；
b．A點(diǎn)和B點(diǎn)混合氣體的壓強(qiáng)相等，混合氣體的密度為$ρ=\frac{m}{V}$；
c．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量為$\overline{{M}_{r}}=\frac{m}{n}$；
（4）①陽極區(qū)為物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)裝置圖分析，溶液為堿性，則陽極OH^-放電，失去電子，生成O₂，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；
②根據(jù)溶液中存在的HCO₃^-的電離平衡和電極反應(yīng)式簡述原理；
③CO₂和H₂生成1molCH₃OH（g）的反應(yīng)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），該反應(yīng)可由已知焓變的熱化學(xué)方程式推導(dǎo)，根據(jù)蓋斯定律計算該反應(yīng)的焓變．

解答 解：（1）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)的焓變△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能，則△H=E（N≡N）+3E（H-H）-2×3E（N-H）=946+3×436-2×3×391=-92kJ/mol，
故答案為：-92；
（2）①恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），達(dá)到化學(xué)平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1}{6}$，容器體積為1L，根據(jù)反應(yīng)方程式，平衡時，容器內(nèi)各組分濃度為c（N₂）=0.5mol/L，c（H₂）=0.2mol/L，c（NH₃）=0.2mol/L，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（0.2mol/L）^{2}}{（0.5mol/L）×（0.2mol/L）^{3}}$=10L²/mol²，
故答案為：10L²/mol²；
②若保持平衡時的溫度和壓強(qiáng)不變，繼續(xù)向平衡體系中通入0.9mol N₂，由于是恒壓裝置，相當(dāng)于對體系稀釋，等效為減壓，則反應(yīng)平衡向增壓方向移動，即反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動，
故答案為：逆向；
（3）根據(jù)圖象，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于反應(yīng)正向進(jìn)行，平衡時N₂的量增多，則溫度T₂＞T₁，
a．平衡常數(shù)只隨溫度的改變而改變，B和C均在溫度為T₁的曲線上，則平衡常數(shù)K_B=K_C，故a錯誤；
b．A點(diǎn)和B點(diǎn)混合氣體的壓強(qiáng)相等，溫度T₂＞T₁，則平衡時，A點(diǎn)的混合氣體的物質(zhì)的量大于B點(diǎn)混合氣體的物質(zhì)的量，混合氣體的密度為$ρ=\frac{m}{V}$，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，則密度$ρ=\frac{p•m}{nRT}$，裝置為恒壓裝置，壓強(qiáng)相等，整個體系質(zhì)量守恒，m相等，由于A點(diǎn)溫度和混合氣體的物質(zhì)的量均大于B點(diǎn)的，則密度A＜B，故b正確；
c．混合氣體的平均相對分子為$\overline{{M}_{r}}=\frac{m}{n}$，根據(jù)質(zhì)量守恒，A和C處混合氣體的總質(zhì)量m相等，通過中間B點(diǎn)比較，A點(diǎn)的混合氣體的物質(zhì)的量大于B點(diǎn)混合氣體的物質(zhì)的量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣體分子數(shù)減少，則混合氣體的物質(zhì)的量減少，所以B點(diǎn)的混合氣體的物質(zhì)的量大于C點(diǎn)混合氣體的物質(zhì)的量，因此A點(diǎn)的混合氣體的物質(zhì)的量大于C點(diǎn)混合氣體的物質(zhì)的量，則混合氣體的平均相對分子質(zhì)量A＜C，故c錯誤；
故選b；
（4）①陽極區(qū)為物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)裝置圖分析，溶液為堿性，則陽極OH^-放電，失去電子，生成O₂，則陽極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)有：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
②溶液中存在的HCO₃^-的電離平衡，在陰極H⁺優(yōu)先放電，使得c（H⁺）減少平衡右移CO₃^2-再生或者陰極H⁺放電，使c（OH^-）增大，產(chǎn)生的OH^-與HCO₃^-反應(yīng)生成CO₃^2-，
故答案為：溶液中HCO₃^-存在電離平衡：HCO₃^-=CO₃^2-+H⁺（1分），陰極H⁺放電，c（H⁺）減少平衡右移CO₃^2-再生（或陰極H⁺放電，使c（OH^-）增大，OH^-與HCO₃^-反應(yīng)生成CO₃^2-）；
③已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₁=-484kJ/mol
             ②2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂ （g）+4H₂O（g）△H₂=-1352kJ/mol
CO₂和H₂生成1molCH₃OH（g）的方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），該反應(yīng)可由$\frac{①×3-②}{2}$得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)椤鱄=$\frac{3△{H}_{1}-△{H}_{2}}{2}$=-50kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．

點(diǎn)評 本題主要考察化學(xué)原理部分知識，涉及熱化學(xué)方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡的移動，化學(xué)平衡常數(shù)的計算，電極反應(yīng)式的書寫，電解原理，考查的知識點(diǎn)較多，題目較綜合，需要有一定的基礎(chǔ)，題目難度中等．