Question

合成氨生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)立開(kāi)辟了人工固氮的途徑，對(duì)化學(xué)工業(yè)技術(shù)也產(chǎn)生了重大影響。合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)；ΔH=-92.2 kJ·mol^-1。合成氨工業(yè)中原料氣N₂可從空氣中分離得到，H₂可用甲烷在高溫下與水蒸氣反應(yīng)制得。我國(guó)合成氨工業(yè)目前的生產(chǎn)條件為：

催化劑：鐵觸媒，溫度400—500 ℃，壓強(qiáng)：30—50 MPa。

回答下列問(wèn)題：

(1)合成氨工業(yè)中原料氣壓縮到30 MPa—50 MPa的原因是________________________；從平衡移動(dòng)原理分析，低溫有利于原料氣的轉(zhuǎn)化，實(shí)際生產(chǎn)中采用400 ℃—500 ℃的高溫，原因是____________________________________________________________________。

(2)500 ℃、50 MPa時(shí)，在容積為1 L的容器中加入n mol N₂、3n mol H₂，反應(yīng)達(dá)平衡后測(cè)得平衡常數(shù)為K，此時(shí)N₂的轉(zhuǎn)化率為x。則K和x的關(guān)系滿(mǎn)足K=____________________。

(3)甲烷在高溫下與水蒸氣反應(yīng)的方程式為：CH₄+H₂OCO+3H₂。已知部分物質(zhì)燃燒的熱化學(xué)方程式如下：

2H₂(g)+O₂(g)2H₂O(l)；ΔH=-571.6 kJ·mol^-1

2CO(g)+O₂(g)2CO₂(g)；ΔH=-566 kJ·mol^-1

CH₄(g)+2O₂(g)CO₂(g)+2H₂O(l)；ΔH=-890.3 kJ·mol^-1

又知1 mol H₂O(g)轉(zhuǎn)變?yōu)? mol H₂O(l)時(shí)放出44.0 kJ熱量。寫(xiě)出CH₄和H₂O在高溫下反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：____________________________________。

(4)有人設(shè)想尋求合適的催化劑和電極材料，以N₂、H₂為電極反應(yīng)物，以HCl—NH₄Cl為電解質(zhì)溶液制造新型燃料電池。請(qǐng)寫(xiě)出該電池的正極反應(yīng)式：________________________。

Answer 1

(1)加壓既有利于增大反應(yīng)速率，又有利于平衡正向移動(dòng)，提高原料氣的轉(zhuǎn)化率  催化劑在該溫度條件下活性最高，反應(yīng)速率大，達(dá)到平衡所需的時(shí)間短

(2)

(3)CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)；ΔH=+206.1 kJ·mol^-1

(4)N₂+8H⁺+6e^-2

解析：本題主要考查了工業(yè)合成氨條件的選擇原理和平衡常數(shù)的表達(dá)式。(1)題比較簡(jiǎn)單；(2)可以先寫(xiě)出反應(yīng)方程式，從而看出當(dāng)?shù)獨(dú)廪D(zhuǎn)化率為x時(shí)，生成NH₃ 2nx mol，此時(shí)剩余N₂ n(1-x) mol、H₂3n(1-x) mol，從而得出平衡常數(shù)表達(dá)式為；第(3)題是蓋斯定律的應(yīng)用問(wèn)題。利用蓋斯定律，求得CH₄和H₂O反應(yīng)所吸收的熱量，從而寫(xiě)出熱化學(xué)反應(yīng)方程式；設(shè)計(jì)原電池時(shí)，N₂和H₂為反應(yīng)物，根據(jù)電極反應(yīng)中化合價(jià)的變化規(guī)律可知，正極反應(yīng)物為N₂，從而寫(xiě)出電極反應(yīng)式。