Question

（12分）現在普遍應用的工業合成氨的方法是哈伯于1905年發明的，但此法反應物的轉化率不高。

（1）已知1 mol N₂(g)與適量H₂(g)完全反應，當生成NH₃(g)0.1mol時，放出9.22kJ熱量，寫出反應的熱化學方程式：                                        。

（2）若該反應在298K、398K時的化學平衡常數分別為K₁、K₂，則K₁      K₂（填“＞”  “=” 或 “＜” ）。

（3）在一定溫度下，向容積不變（始終為10L）的密閉容器中加入2 mol N₂、8 mol H₂ 及固體催化劑。10分鐘后反應達到平衡狀態，容器內氣體壓強變為起始的80％，此時氨氣的體積分數為           ，用氮氣表示的反應速率：                   。若想提高氨氣的產率，根據化學平衡移動原理，請提出合理的建議：                      （任意寫一條）。

（4）在上述相同條件下，若起始時加入4 mol NH₃、2 mol H₂及固體催化劑，反應達到平衡時NH₃的體積分數比(3)中           （填“大”、“小”或“相等”）。

（5）隨著對合成氨研究的發展，2001年兩位希臘化學家提出了電解合成氨的方法，即在常壓下把氫氣和用氦氣稀釋的氮氣，分別通入一個加熱到570℃的電解池中，采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）為介質，用吸附在它內外表面上的金屬鈀多晶薄膜做電極，實現了常壓、570℃條件下高轉化率的電解法合成氨（裝置如右圖）。在電解法合成氨的電解池中                (填“能”或“不能”) 用水作電解質溶液的溶劑，原因是               。

鈀電極A是電解池的      極（填“陽”或“陰”），該極上的電極反應式是                 。

 

Answer 1

【答案】

（1）N₂(g)+3H₂(g)  2NH₃(g)   △H ＝-184.4 kJ·mol^-1   (2分)

（2） > (1分)

（3）25% (2分) ；0.01mol/(L·min) (1分)；增大氫氣濃度或增大氮氣濃度或增大反應物濃度或降溫或增大壓強或及時轉移走生成的氨（其它合理答案均得分）(1分)

（4）相等 (1分)

（5）不能；新法合成氨電解池的反應溫度是570℃時，水為水蒸氣；

陰 ； N₂  + 6e^－ +6H⁺ == 2NH₃  （4分，各1分）

【解析】（1）在熱化學方程式中，物質的系數表示參加該反應的各物質的物質的量：生成NH₃(g)0.1mol時，放出9.22kJ熱量，則生成NH₃(g)2mol時，放出9.22kJ×20=184.4 kJ熱量，故正確的熱化學方程式為：N₂(g)+3H₂(g)  2NH₃(g)   △H ＝-184.4 kJ·mol^-1；

（2）由（1）得：△H＜0，正向為放熱反應，升溫平衡逆向移動，則K₁>K₂；

（3） N₂(g)+3H₂(g)  2NH₃(g)

 n₀    2mol  8mol        0

△n    x     3x         2x

n（平衡） 2-x  8-3x        2x

由PV=nRT，得：在恒溫、恒容條件下，P₁/P₂=n₁/n₂，

即P₁/（80％×P₁）=（2mol+8mol）/[（2-x）+(8-3x)+2x]，求解，得：x=1 mol；

氨氣的體積分數=2x/[（2-x）+(8-3x)+2x]= 25%；

用氮氣表示的反應速率=（2x/10）mol·L^－1÷10 min=0.01mol/(L·min)；

若想提高氨氣的產率，即使平衡正向移動；

（4）N₂(g)+3H₂(g)  2NH₃(g)

n₀’ 0    2mol       4mol

與（3）的初始態相當，則（3）、（4）為“等效平衡”關系，故反應達到平衡時NH₃的體積分數比(3)中相等；

（5）有圖，得：向A極通入氮氣，反應后生成氨氣，則N由0價降低為-3價，也就是說N發生了得電子的還原反應，而發生還原反應的電極定義為陰極