Question

8．自從1902年德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以來，氮的固定的相關研究獲得了不斷的發(fā)展．
（1）分析下表數據可知：大氣固氮反應屬于吸熱（填“吸熱”或“放熱”）反應．2260℃時，向2L密閉容器中充入0.3molN₂和0.3molO₂，模擬大氣固氮反應，達到平衡時，N₂的轉化率是33.3%（結果保留三位有效數字）．

反應	大氣固氮N2（g）+O2（g）?2NO（g）
溫度/℃	27	2260
K	3.84×10-31	1

（2）工業(yè)固氮的主要形式是：N₂�。╣）+3H₂�。╣）?2NH₃�。╣）△H＜0，如圖是當反應器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3　投料后，在200℃、400℃、600℃下，反應達到平衡時，混合物中NH₃的物質的量分數隨壓強的變化曲線．

①曲線a對應的溫度是200℃．
②關于工業(yè)合成氨的反應，下列敘述正確的是A（填字母）．
A．圖中M、N、Q點平衡常數K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N）
B．工業(yè)合成氨之所以加入催化劑，是因為加入催化劑有利于提高反應的活化能
C．相同壓強下，投料相同，達到平衡所需時間關系為c＞b＞a
③N點時c（NH₃）=0.2mol/L，N點的化學平衡常數K=0.93（結果保留兩位小數）．
（3）合成氨原料氣中的氫氣可用天然氣（主要成分為CH₄）在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應制得，反應中每生成2mol　CO₂吸收316kJ熱量，該反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，該方法制得的原料氣中主要雜質是CO₂，若用K₂CO₃溶液吸收，該反應的離子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-．
（4）合成氨工業(yè)中含氨廢水的處理方法之一是電化學氧化法，將含氨的堿性廢水通入電解系統(tǒng)后，在陽極上氨被氧化成氮氣而脫除，陽極的電極反應式為2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移；依據平衡三段式列式計算NO的平衡濃度，然后結合方程式計算出消耗氮氣的物質的量，從而可計算出氮氣的轉化率；
（2）①正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的含量減小；
②A．相同壓強條件下，投料相同，溫度越高反應速率越大，反應達到平衡時間越短；
B．催化劑能降低反應的活化能；
C．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數不變，正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小；
③根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算出平衡時各物質的濃度，并計算平衡常數；
（3）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，據此答題；
（4）生成的無污染的物質為氮氣，根據電解原理寫出陽極電極反應式．

解答 解：（1）由表格數據可知，溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移，則正反應方向為吸熱反應；
 2260℃時，向2L密閉容器中充入0.3mol N₂和0.3mol O₂，20s時反應達平衡，設此時得到NO為xmol，
        N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）
開始   0.3mol    0.3mol  0
轉化  $\frac{1}{2}$xmol     $\frac{1}{2}$xmol   xmol
平衡 （0.3-0.5x）mol  （0.3-0.5x）mol    xmol
化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，則化學平衡常數K=$\frac{{x}^{2}}{（0.3-0.5x）^{2}}$=1，解得：x=0.2，
則平衡時消耗氮氣的物質的量為：0.2mol×$\frac{1}{2}$=0.1mol，
所以平衡時氮氣的轉化率為：$\frac{0.1mol}{0.3mol}$×100%=33.3%，
故答案為：吸熱；33.3%；
（2）①合成氨的反應為放熱反應，反應溫度越高，越不利于反應正向進行，曲線a的氨氣的物質的量分數最高，其反應溫度對應相對最低，所以a曲線對應溫度為200℃，
故答案為：200℃；
②A．平衡常數與溫度有關，與其他條件無關，溫度相同時平衡常數相同，反應是放熱反應，溫度越高平衡常數越小，則M、N、Q點平衡常數K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N），故A正確；
B．工業(yè)合成氨之后所以加入催化劑，是因為加入催化劑有利于降低反應的活化能，從而加快了反應速率，故B錯誤；
C．相同壓強條件下，投料相同，溫度越高反應速率越大，反應達到平衡時間越短，溫度：a＜b＜c，則達到平衡所需時間關系為c＜b＜a，故C錯誤；
故答案為：A；
③N點時氨的物質的量的分數為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab      3ab       2ab
平衡   a-ab     3a-3ab     2ab
根據題意有：$\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}$=20%、2ab=0.2，聯(lián)立解得：a=0.3，b=$\frac{1}{3}$，
所以平衡常數K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）×（3a-3ab）^{3}}$=$\frac{25}{27}$≈0.93，
故答案為：0.93；
（3）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，所以反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，反應的離子方程式為CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol；CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-；
（4）利用電解法將NH₃•H₂O轉化為對環(huán)境無污染的物質為氮氣，陽極失去電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

點評 本題考查較為綜合，涉及熱化學方程式的書寫、化學平衡的計算、電解池原理、氧化還原反應的計算等知識，題目難度中等，注意利用三段式進行化學平衡的計算，明確反應速率的概念及計算方法，試題培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學計算能力．