Question

【題目】新型材料 AIN 應(yīng)用前景廣泛，對其制備過程的研究成為熱點。

(1)將物質(zhì)的量均為a mol 的 Al2O3與N2 充入恒溫恒容密閉容器中，控制溫度發(fā)生反應(yīng)：2Al2O3(s)+2N2(g) 4AlN(s) +3O2(g) △H>0。

①下列可作為反應(yīng)達(dá)到平衡的判據(jù)是_________(填序號）。

A．固體的質(zhì)量不再改變

B．2v正(N2)=3v逆(O 2)

C．△H 不變

D．容器內(nèi)氣體的壓強不變

E．N2分子數(shù)與 O2 分子數(shù)比為 2:3

②在起始壓強為p的反應(yīng)體系中，平衡時 N2的轉(zhuǎn)化率為α，則上述反應(yīng)的平衡常數(shù) Kp__________(對于氣相反應(yīng)，用某組分 B 的平衡壓強 p(B)代替物質(zhì)的量濃度c(B)也可表示平衡常數(shù)，記作Kp，如p(B) =p總·x(B) ，p總為平衡總壓強，x(B)為平衡系統(tǒng)中B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

③為促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，實際生產(chǎn)中需加入焦炭，其原因是____________。

(2)鋁粉與 N2 在一定溫度下可直接生成 AlN， 加入少量 NH4Cl 固體可促進(jìn)反應(yīng)。將等質(zhì)量的A1粉與不同量的 NH4Cl混合均勻后置于充 N2的密閉容器中，電火花引燃，產(chǎn)品中 AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[ω(AlN)] 隨原料中ω(NH4Cl)的變化如圖1所示，燃燒過程中溫度隨時間變化如圖2所示。則：

①固體混合物中，ω(NH4Cl)的最佳選擇是__________。

②結(jié)合圖2解釋當(dāng)ω(NH4Cl)超過一定值后，ω(AlN)明顯減少的原因__________。

(3)AIN粉末會緩慢發(fā)生水解反應(yīng)，粒徑為100 nm 的 AlN 粉末水解時溶液 pH的變化如圖3 所示。

①AlN 粉末水解的化學(xué)方程式是______________。

②相同條件下，請在圖3中畫出粒徑為40 nm 的AlN粉末水解的變化曲線____________。

Answer 1

【答案】AD p 消耗O2、提供能量，均能使平衡向右移動 3 % NH4Cl分解吸熱造成溫度降低，不利于Al 與N2反應(yīng) AlN + 4H2O Al(OH)3 + NH3H2O

【解析】

(1) ①根據(jù)反應(yīng)達(dá)到平衡后，正逆反應(yīng)速率，各成分的濃度不變及由此衍生的其它物理量進(jìn)行分析；

②平衡時N2的轉(zhuǎn)化率為α，由于反應(yīng)物中只有N2是氣體，所以起始壓強p即為起始時N2的分壓，列三段式求Kp；

③碳在氧氣中燃燒放出熱量，焦炭既可以消耗氧氣，使生成物濃度降低，又可以提供熱量，這兩方面的作用都可以使平衡右移；

(2)①根據(jù)圖像分析，當(dāng)ω(NH4Cl)=3%時，ω(AlN)最大；

②從圖2可以看出，反應(yīng)過程中溫度會降低。ω(NH4Cl)=3%時的溫度比ω(NH4Cl)=1%時的溫度降低得更多。這是因為NH4Cl分解吸熱，當(dāng)ω(NH4Cl)超過一定值后，NH4Cl分解吸熱造成溫度降低不利于Al 與N2反應(yīng)，導(dǎo)致ω(AlN)明顯減少；

(3)①AIN粉末會緩慢發(fā)生水解反應(yīng)，生成Al(OH)3和NH3；

②相同條件下，由于粒徑為40nm的AlN粉末和水的接觸面積更大，所以其水解速率大于粒徑為100nm的AlN粉末的水解速率，由于固體不影響平衡，所以最終溶液的pH是相同。

(1)①A．消耗2mol Al2O3會生成4molAlN，固體質(zhì)量減少，當(dāng)固體的質(zhì)量不再改變時，反應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)；

B．當(dāng)3v正(N2)=2v逆(O2)時，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)，但2v正(N2)=3v逆(O2)表示的正逆反應(yīng)速率不相等，不是平衡狀態(tài)；

C．△H取決于反應(yīng)物和生成物的總能量的相對大小，和是否平衡無關(guān)；

D．在恒溫恒容條件下，容器內(nèi)的壓強和氣體的物質(zhì)的量成正比。該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體分子數(shù)不相等的反應(yīng)，在平衡建立過程中，氣體總物質(zhì)的量一直在改變，只有達(dá)到平衡時，氣體總物質(zhì)的量才不再不變，即容器內(nèi)壓強才不變，所以當(dāng)容器內(nèi)氣體的壓強不變時，反應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)；

E．N2分子數(shù)與 O2 分子數(shù)之比和起始投料以及轉(zhuǎn)化率有關(guān)，當(dāng)N2分子數(shù)與O2分子數(shù)比為 2:3時，反應(yīng)不一定是平衡狀態(tài)；

故選AD。

②反應(yīng)2Al2O3(s)+2N2(g) 4AlN(s) +3O2(g)，在起始時加入的是等物質(zhì)的量的Al2O3與N2，由于反應(yīng)物中只有N2是氣體，所以起始壓強p即為起始時N2的分壓，列三段式求Kp，已知平衡時N2的轉(zhuǎn)化率為α，則

Kp==p。

③為促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，實際生產(chǎn)中需加入焦炭，焦炭和氧氣反應(yīng)，放出熱量。焦炭既可以消耗氧氣，使生成物濃度降低，又可以提供熱量，這兩方面的作用都可以使平衡右移，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

(2)①從圖1可以看出，當(dāng)ω(NH4Cl)=3%時，ω(AlN)最大，所以最佳選擇是ω(NH4Cl)=3%。

②從圖2可以看出，反應(yīng)過程中溫度會降低。ω(NH4Cl)=3%時的溫度比ω(NH4Cl)=1%時的溫度降低得更多。這是因為NH4Cl分解吸熱，當(dāng)ω(NH4Cl)超過一定值后，NH4Cl分解吸熱造成溫度降低不利于Al 與N2反應(yīng)，導(dǎo)致ω(AlN)明顯減少

(3)①AIN粉末會緩慢發(fā)生水解反應(yīng)，生成Al(OH)3和NH3，AlN 粉末水解的化學(xué)方程式是AlN + 4H2O Al(OH)3 + NH3H2O。

②相同條件下，由于粒徑為40nm的AlN粉末和水的接觸面積更大，所以其水解速率大于粒徑為100nm的AlN粉末的水解速率，由于固體不影響平衡，所以最終溶液的pH是相同的。粒徑為40 nm 的AlN粉末水解的變化曲線為。