Question

合成氨和制備硝酸是兩種重要的化工生產，重慶某化工廠將合成氨與制備硝酸進行連續生產。
（1）在某溫度下體積為200 L的氨合成塔中，以分為單位的時間點上測得各物質的濃度(mol·L^﹣1)如下表：

	0 min	l min	2 min	3 min	4 min
N2	1.500	1.400	1.200	c1	c1
H2	4.500	4.200	3.600	c2	c2
NH3	0	0.200	0.600	c3	c3

 
根據表中數據得知0 min～2 min內N₂的平均反應速率是_______，若3 min末N₂的轉化率為a，則此時H₂的轉化率為_______ (用含a的代數式表示)。
（2）今對合成氨反應進行如下研究：在容積均為10 L的a、b、c三個相同密閉容器中分別充入1 mol N₂和3 mol H₂，三個容器的反應溫度分別為T₁、T₂、T₃，在其他條件相同情況下，實驗測得反應均進行到5 min時，NH₃的體積分數如圖所示。則下列說法正確的是_______。

A．a、b、C三容器5 min時的正反應速率大小為：b>a>c
B．達到平衡時，a、b、c中N₂轉化率為a>b>c
C．5min時，a、b、c三容器中的反應均可能達到平衡狀態。
D．將容器b中的平衡狀態轉變到容器c中的平衡狀態，可采取的措施有升溫或減壓
（3）已知：N₂(g)+O₂(g)=2NO(g)：   △H=+180.5kJ/mol
4NH₃(g)+5O₂(g)=4NO(g)+6H₂O(g)；△H=﹣905 kJ/mol
2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)； △H=﹣483.6 kJ/mol
則在該條件下，氨合成塔中所發生反應的熱化學方程式為：____________________________；
（4）金屬Cu單獨與氨水或單獨與雙氧水都不反應，但可與二者的混合溶液反應生成深藍色溶液，寫出該反應的離子方程式：_________________________________________；
（5）取200 mL的硝酸恰好與32 g Cu₂S完全反應，已知硝酸被還原成等物質的量的NO和NO₂，另外還有CuSO₄和Cu(NO₃)₂生成，則所得工業硝酸的濃度是_______mol·L^﹣1。

Answer 1

（1）0.15mol·L^-1·min (2分)；a（2分）
（2）BD（2分）
（3）N₂(g)+ 3H₂(g) =2NH₃(g)   △H= ﹣92.4kJ/mol（3分）
（4）Cu+NH₃·H₂O+H₂O₂=[Cu(NH₃)₄]²⁺ +4H₂O+OH^-（3分）
（5）7（3分）

試題分析：（1）根據表中數據可知，在2min內N2的反應速率v(N2)=（1.5-1.2）mol·L^﹣1 /2min="0.15" mol·L^-1·min；起始時N₂ ： H₂ =1：3，跟方程式的系數比相等，所以N₂ 、H₂ 的轉化率相等，均為a。
（2）如圖，三種溫度下反應到5min時，氨氣的體積分數不同，根據圖像呈現的趨勢，氨氣的體積分數隨溫度的升高先升后降，說明在T₁ 條件下的反應在5min時還沒有達到平衡，而在T3條件下反應5，min時已經達到平衡，而且相比T2條件下的反應，升高溫度反應逆向移動，正反應為放熱：
A．溫度越高，反應速率越大，所以a、b、c三容器5min時的正反應反應速率大小為c > b > a，錯誤。
B．根據上述分析，正反應放熱反應，所以溫度越高，平衡逆向移動，平衡時候N₂轉化率越低，所以a>b>c，B正確。
C．根據上述分析，a容器未達平衡，b、c達到平衡，C錯誤。
D．容器b要變成c的平衡狀態，則平衡要逆向移動，則可采取升高溫度或者減小壓強的措施，D正確。
（3）利用蓋斯定律和已知方程式，由①-1/2②+3/2③可得合成氨的熱化學方程式為：N₂(g)+ 3H₂(g) =2NH₃(g)   △H= ﹣92.4kJ/mol。
（4） 金屬Cu與氨水和雙氧水的混合溶液反應生成深藍色溶液，發生了氧化還原反應，且生成了配合離子，可以類比銀氨溶液中的銀銨離子[Ag(NH₃)₂]²⁺ ，所以生成的配合離子為[Cu(NH₃)₄]²⁺ ，反應方程式為：Cu+NH₃·H₂O+H₂O₂=[Cu(NH₃)₄]²⁺ +4H₂O+OH^- 。
（5）根據題意得：n(Cu₂S)=" 32" g/160g/mol=0.2mol，硝酸與硫化亞銅反應，硝酸為氧化劑和酸，而Cu和S均被氧化，Cu由 +1→+2價， S由-2→+6價，所以失去的電子總數n(e-)=" n(Cu)+8" n(S)=0.4mol+1.6mol=2mol，又n(CuSO4)= n(Cu(NO₃)₂)=0.2mol,所以作酸的部分硝酸n(HNO3)= 2n(Cu(NO₃)₂)=0.4mol，作氧化劑的硝酸化合價變化+5→+2價，+5→+4價，且n(NO)= n(NO₂)，所以的電子總數n(e-)=" 3n(NO)+" n(NO₂)="4" n(NO)，得失電子守恒，所以有4 n(NO) =2mol，所以可得n(NO)= n(NO₂)=0.5mol,所以作氧化劑的硝酸n(HNO3)=" n(NO)+" n(NO₂)=1mol,所以總的硝酸n(HNO3)= 0.4mol+1mol=1.4mol,所以硝酸的濃度c(HNO3)=" 1.4mol" /0.2 L=7mol/L。