Question

15．人類社會的發(fā)展離不開能源．當今社會，人類利用的能源主要來自三大化石燃料：煤、石油、和天然氣．它們不僅是優(yōu)質(zhì)的能量資源，還是寶貴的化工能源．將它們作為燃料直接燃燒，即嚴重污染環(huán)境，又效率不高，所以國家大力提倡化石燃料的綜合利用．試運用所學知識，回答下列問題：
（1）合成氨工業(yè)是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中非常重要的一部．工業(yè)合成氨N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）反應(yīng)過程中的能量變化如圖1所示，則該反應(yīng)為放熱（填“吸熱”或“放熱”）

（2）實驗室模擬工業(yè)合成氨時，向密閉容器內(nèi)充入1molN₂、3molH₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)．
①若密閉容器的體積為5L，反應(yīng)經(jīng)過10min后，測得容器內(nèi)的NH₃為1mol，則用N₂表示的該反應(yīng)速率為0.01mol/（L•min），；此時容器內(nèi)H₂的濃度為0.3mol/L．
②若保持容器的容積不變，反應(yīng)一段時間后，下列描述中能說明反應(yīng)已達到平衡狀態(tài)的是BD
A，容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃三種氣體共存
B．單位時間內(nèi)生成nmolN₂的同時生成2nmolNH₃
C．N₂、H₂、NH₃的分子數(shù)之比為1：3：2
D．容器中氣體的壓強保持不變
（3）天然氣的主要成分是CH₄，用它制成的CH₄-空氣燃料電池是一種高效能、輕污染的電池，其工作原理如圖2所示，該燃料電池的正極反應(yīng)式是O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，電路中每通過3.01×10²⁴個電子，正極消耗標況下O₂的體積為28L．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量時，反應(yīng)放熱；
（2）①根據(jù)反應(yīng)速率V=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$求出氨氣的反應(yīng)速率，然后根據(jù)反應(yīng)速率之比等于計量數(shù)之比求出氮氣的反應(yīng)速率；根據(jù)△n之比等于計量數(shù)之比，求出氫氣的物質(zhì)的量的改變量△n，然后求出10min后氫氣的物質(zhì)的量，即可求出氫氣的濃度；
②當反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正、逆反應(yīng)速率相等（同種物質(zhì)），各物質(zhì)的濃度、含量不再改變，以及由此衍生的一些物理量也不變，以此進行判斷；
（3）根據(jù)圖示可知，此燃料電池為酸性甲烷燃料電池，而正極上氧氣放電，據(jù)此寫出電極反應(yīng)方程式；當1mol氧氣放電時，放電4mol電子，據(jù)此計算．

解答 解：（1）從圖示可知，反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量，故反應(yīng)放熱，故答案為：放熱；
（2）①氨氣的反應(yīng)速率V_（NH3）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{1mol}{5L}}{10min}$=0.02mol/（L•min），反應(yīng)速率之比等于計量數(shù)之比，故氮氣的反應(yīng)速率V_（N2）=0.01mol/（L•min）；由于△n之比等于計量數(shù)之比，故氫氣的物質(zhì)的量的改變量△n_（H2）=$\frac{3}{2}△{n}_{（N{H}_{3}）}$=$\frac{3}{2}×1mol$=1.5mol，故10min后氫氣的物質(zhì)的量n_（H2）=3mol-1.5mol=1.5mol，即氫氣的濃度C_（H2）=$\frac{1.5mol}{5L}$=0.3mol/L，故答案為：0.01mol/（L﹒min）；0.3mol/L；
②A．由于反應(yīng)是可逆反應(yīng)，故容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃三種氣體一直共存，與平衡不平衡無關(guān)，即不能說明反應(yīng)達平衡，故A錯誤；
B．單位時間內(nèi)生成nmolN₂則意味著消耗掉2nmolNH₃，而同時生成2nmolNH₃，則說明反應(yīng)達平衡，故B正確；
C．N₂、H₂、NH₃的分子數(shù)之比為1：3：2時反應(yīng)不一定平衡，達平衡時N₂、H₂、NH₃的分子數(shù)之比也不一定為1：3：2，故C錯誤；
D．由于是恒容的容器，且此反應(yīng)正反應(yīng)方向為氣體的物質(zhì)的量減小的方向，故當反應(yīng)未達平衡時，容器中的壓強在減小，故當容器中氣體的壓強保持不變時，說明反應(yīng)達平衡，故D正確．
故選BD．
（3）根據(jù)圖示可知，此燃料電池為酸性甲烷燃料電池，而正極上氧氣放電，故正極的電極反應(yīng)方程式為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；當1mol氧氣放電時，放電4mol電子，故電路中每通過3.01×10²⁴個電子即5mol電子時，正極上放電的氧氣的物質(zhì)的量為n=$\frac{5}{4}$mol，在標況下體積為V=$\frac{5}{4}$mol×22.4L/mol=28L．故答案為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；28；

點評 本題考查了反應(yīng)吸放熱的判斷、化學反應(yīng)速率的求算以及反應(yīng)是否達平衡的判斷和電極反應(yīng)方程式的書寫等，綜合性較強但難度不大．