Question

氨與硝酸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均有重要的用途．某小組根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)原理設(shè)計(jì)了生產(chǎn)氨與硝酸的主要過(guò)程如下：
（1）以N₂和H₂為原料合成氨氣．反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0
①一定溫度下，在密閉容器中充入1mol N₂和3mol H₂發(fā)生反應(yīng)．若容器容積恒定，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，氣體的總物質(zhì)的量是原來(lái)的

15

16

，則N₂的轉(zhuǎn)化率α=

 

；若此時(shí)放出熱量為a KJ，則其熱化學(xué)方程式為

 

．
②氨氣溶于水則為氨水．已知NH₃?H₂O的電離平衡常數(shù)為Kb，計(jì)算0.1mol/L的NH₃?H₂O溶液中c（OH^-）=

 

mol/L（設(shè)平衡時(shí)NH₃?H₂O的濃度約為0.1mol/L，用含有Kb的代數(shù)式表示）．
③合成氨的原料氣H₂可來(lái)自CH₄的綜合利用：CH₄+H₂O═CO+3H₂．將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如圖一（A、B為多孔性石墨棒）．持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷體積VL．44.8L＜V≤89.6L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)為

 

．

（2）以氨氣、空氣為主要原料先進(jìn)行氨的催化氧化，然后制得硝酸．
①其中NO在容積恒定的密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)：2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）△H＞0
該反應(yīng)的反應(yīng)速率（v）隨時(shí)間（t）變化的關(guān)系如圖二所示．若t₂、t₄時(shí)刻只改變一個(gè)條件，下列說(shuō)法正確的是（填選項(xiàng)序號(hào)）

 

．
a．在t₁～t₂時(shí)，可依據(jù)容器內(nèi)氣體的密度保持不變判斷反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)
b．在t₂時(shí)，采取的措施可以是升高溫度
c．在t₃～t₄時(shí)與在t₁～t₂時(shí)的平衡常數(shù)K肯定相同
d．在t₅時(shí)，容器內(nèi)NO₂的體積分?jǐn)?shù)是整個(gè)過(guò)程中的最大值
②實(shí)際上，生成的NO₂會(huì)聚合生成N₂O₄．如果在一密閉容器中，17℃、1.01×10⁵Pa條件下，2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H＜0的平衡常數(shù)K=13.3．若改變上述體系的某個(gè)條件，達(dá)到新的平衡后，測(cè)得混合氣體中c（NO₂）=0.04mol/L，c（N₂O₄）=0.007mol/L，則改變的條件是

 

．
③硝酸廠常用如下方法處理尾氣用Na₂CO₃溶液吸收NO₂生成CO₂．若每9.2g NO₂和Na₂CO₃溶液反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.1mol，則反應(yīng)的離子方程式是

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：反應(yīng)熱和焓變,原電池和電解池的工作原理,化學(xué)平衡建立的過(guò)程,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算得到；求出反應(yīng)的△H，寫(xiě)出熱化學(xué)方程式；
②c（NH₄⁺）=c（OH^-），據(jù)Kb表達(dá)式和平衡時(shí)NH₃?H₂O的濃度可以求得；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根據(jù)甲烷的量計(jì)算生成的二氧化碳的量，結(jié)合反應(yīng)方程式判斷反應(yīng)產(chǎn)物及發(fā)生的反應(yīng)；
（2）①2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g））△H＞0．反應(yīng)是氣體體積減小的吸熱反應(yīng)；
a、反應(yīng)中氣體質(zhì)量守恒，體積不變，過(guò)程中密度不變；
b、反應(yīng)是吸熱反應(yīng)升溫正逆反應(yīng)速率增大，平衡正向進(jìn)行；
c、K受溫度影響；
d、依據(jù)圖象分析容器內(nèi)NO₂的體積分?jǐn)?shù)在t₃～t₄時(shí)最大；
②改變上述體系的某個(gè)條件，達(dá)到新的平衡后，根據(jù)c（NO₂）和c（N₂O₄）求出K值，K減小，說(shuō)明升高了溫度，平衡逆向移動(dòng)；
③根據(jù)n=

m

M

計(jì)算NO₂的物質(zhì)的量，反應(yīng)中只有NO₂中N元素化合價(jià)發(fā)生變化，發(fā)生歧化反應(yīng)，有生成NO₃^-，根據(jù)注意電子數(shù)計(jì)算生成NO₃^-的物質(zhì)的量，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算N元素在還原產(chǎn)物中的化合價(jià)，判斷還原產(chǎn)物，據(jù)此書(shū)寫(xiě)．

解答： 解：①壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，容器內(nèi)的壓強(qiáng)是原來(lái)的

15

16

，則減少的物質(zhì)的量為（1+3）mol×（1-

15

16

）=

1

4

mol，則：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g） 物質(zhì)的量減少△n
1                                     2
n（N₂）                               

1

4

故n（N₂）=

1

8

mol，所以氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率=

1 8

1

×100%=12.5%；

1

8

mol氮?dú)夥磻?yīng)放熱aKJ，則1mol氮?dú)夥磻?yīng)放熱8aKJ，所以熱化學(xué)方程式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-8aKJ/mol，
故答案為：12.5%；N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-8aKJ/mol；
②據(jù)NH₃?H₂O的電離方程式可知，c（NH₄⁺）=c（OH^-），已知NH₃?H₂O的濃度約為0.1mol/L，Kb=

c(NH4+)?c(OH-)，

c(NH3?H2O)

=

[c(OH-)]2

0.1

，可得：c（OH^-）=

0.1Kb

，故答案為：

0.1Kb

；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
當(dāng)0＜V≤44.8 L時(shí)，0＜n（CH₄）≤2mol，則0＜n（CO₂）≤2mol，只發(fā)生反應(yīng)①②，且KOH過(guò)量，則電池總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
當(dāng)44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，則2mol＜n（CO₂）≤4mol，發(fā)生反應(yīng)①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，則負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
（2）①2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g））△H＞0．反應(yīng)是氣體體積減小的吸熱反應(yīng)；
a、反應(yīng)中氣體質(zhì)量守恒，體積不變，過(guò)程中密度不變，所以，密度不變不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a錯(cuò)誤；
b、反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升溫正逆反應(yīng)速率都增大，平衡正向進(jìn)行，故b正確；
c、t₂時(shí)升高了溫度，K增大，所以在t₃～t₄時(shí)與在t₁～t₂時(shí)的平衡常數(shù)K不同，故c錯(cuò)誤；
d、t₂時(shí)升高了溫度，平衡正向移動(dòng)，t₄時(shí)減小了生成物濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物濃度相應(yīng)減小，所以，容器內(nèi)NO₂的體積分?jǐn)?shù)在t₃～t₄時(shí)最大，故d錯(cuò)誤；
故選：b；
②改變上述體系的某個(gè)條件，達(dá)到新的平衡后，根據(jù)c（NO₂）和c（N₂O₄）求出K=4.375，K減小，說(shuō)明升高了溫度，平衡逆向移動(dòng)，故答案為：升高溫度．
③9.2gNO₂的物質(zhì)的量=

9.2

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=0.2mol，反應(yīng)中只有NO₂中N元素化合價(jià)發(fā)生變化，發(fā)生歧化反應(yīng)，有生成NO₃^-，
0.2mol二氧化氮轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是0.1mol，故生成的NO₃^-的物質(zhì)的量為

0.1mol

5-4

=0.1mol，故被還原的氮原子物質(zhì)的量為0.2mol-0.1mol=0.1mol，令N元素在還原產(chǎn)物中的化合價(jià)為x價(jià)，則0.1mol×（4-x）=0.1mol，解得x=+3，故還原產(chǎn)物為NO₂^-，且生成的NO₃^-和NO₂^-物質(zhì)的量之比為1：1，同時(shí)反應(yīng)生成CO₂，故二氧化氮和碳酸鈉溶液反應(yīng)的離子反應(yīng)方程式為：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂，故答案為：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂．

點(diǎn)評(píng)：本題考查范圍廣、考查知識(shí)點(diǎn)跨度大，包含了轉(zhuǎn)化率、熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)、弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)、燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)、影響化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)的條件、溫度是影響化學(xué)平衡常數(shù)的唯一因素、離子方程式書(shū)寫(xiě)等等，題目難度較大．