Question

【題目】氨氣及含氮化合物在化工生產和國防工業中具有廣泛應用。請回答：

（1）已知：(i)氫氣的燃燒熱為286.0 kJ·mol-1

(ii)4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O (l) ΔH=- 1530.6 kJ·mol-1。

合成氨反應的熱化學方程式為_____________________________。

（2）恒溫恒容條件下，起始按物質的量之比為1∶1向密閉容器中充入N2(g)和H2(g)，發生合成氨的反應。達平衡后，N2(g)的體積分數為_______________；然后只降低溫度，N2(g)的體積分數會_________（填選項字母）。

A.增大 B.減小 C.不變 D.不能判斷

（3）T℃時，CO2(g)和NH3(g)合成尿素的原理為2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(1)。在2 L恒容密閉容器中，通入1.2 mol NH3(g)和0.6 mol CO2(g)，2 min時反應恰好達到平衡，測得c(NH3)=0.2 mol·L-1。

①0~2min內，用NH3表示的反應速率υ(NH3)=___________；反應的平衡常數K=____________。

②若其他條件不變，2 min時將容器體積迅速壓縮到1L，在3 min時重新達到平衡，請在圖1中畫出2~3 min內c(NH3)隨時間(t)變化的曲線關系圖。

（4）堿性氨氣燃料電池的裝置如圖2 所示，寫出負極的電極反應式____________________。當電路中每通過3.6 mol e-，則需要標況下空氣的體積________________L。

Answer 1

【答案】 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92.7 kJmol-1 50% C 0.2 mol·L-1·min-1 250 2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O 100.8

【解析】（1）根據H2的燃燒熱寫出H2燃燒的熱化學方程式，再用蓋斯定律。

（2）用三段式計算平衡后N2（g）的體積分數。降低溫度，平衡向正反應方向移動，N2（g）物質的量減小，氣體總物質的量也減小，結合計算判斷N2（g）的體積分數。

（3）①根據化學反應速率的含義計算υ（NH3）。用三段式和化學平衡常數表達式計算K。

②其他條件不變時，將容器體積迅速壓縮到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡時的兩倍；增大壓強平衡向正反應方向移動，NH3（g）、CO2（g）濃度又減小，再依據化學平衡常數計算3min平衡時c（NH3）。

（4）根據裝置圖中電子的流向，通入NH3的一極為負極，通入O2的一極為正極；NH3失電子被氧化成N2，結合堿性條件、原子守恒和電荷守恒寫電極反應式，根據電極反應式計算消耗標準狀況下空氣的體積。

（1）氫氣的燃燒熱為286.0kJ/mol，H2燃燒的熱化學方程式為H2（g）+O2（g）=H2O（l）ΔH=-286.0kJ/mol（i）

4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（l） ΔH=- 1530.6 kJ/mol（ii）

應用蓋斯定律，將[（i）6-（ii）]2得，N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=[（-286.0kJ/mol）6-（-1530.6kJ/mol）]2=-92.7kJ/mol，合成氨反應的熱化學方程式為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92.7kJ/mol。

（2）設起始N2、H2物質的量都為amol，從起始到平衡過程中轉化N2物質的量為xmol，用三段式

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

n（起始）（mol） a a 0

n（轉化）（mol） x 3x 2x

n（平衡）（mol）a-x a-3x 2x

達平衡后，N2（g）的體積分數為100%=100%=50%。

降低溫度，平衡向正反應方向移動，N2（g）物質的量減小，氣體總物質的量也減小，根據上述計算，N2（g）的體積分數與a、x無關，恒為50%，即N2（g）的體積分數不變，答案選C。

（3）①υ（NH3）===0.2mol/（L·min）。用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

c（起始）（mol/L） 0.6 0.3

c（轉化）（mol/L） 0.4 0.2

c（平衡）（mol/L） 0.2 0.1

反應的平衡常數K===250。

②其他條件不變時，將容器體積迅速壓縮到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡時的兩倍，瞬時NH3（g）、CO2（g）的濃度依次為0.4mol/L、0.2mol/L；增大壓強平衡向正反應方向移動，NH3（g）、CO2（g）濃度又減小，設3min平衡時c（NH3）=ymol/L，用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

2min體積壓縮至1L時（mol/L） 0.4 0.2

2~3min內c（轉化）（mol/L） 0.4-y

3min時c（平衡）（mol/L） y

溫度不變，化學平衡常數不變，K===250，解得y=0.2。作圖要點：2min時c（NH3）為0.4mol/L，2~3min內c（NH3）逐漸減小，3min時達到平衡c（NH3）=0.2mol/L。

（4）根據裝置圖中電子的流向，通入NH3的一極為負極，通入O2的一極為正極，NH3失電子生成N2，2molNH3失去6mol電子生成1molN2，結合堿性條件、原子守恒和電荷守恒，負極電極反應式為2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O。正極電極反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-，當電路中通過3.6mole-時，消耗O2物質的量為0.9mol，消耗標準狀況下O2的體積為0.9mol22.4L/mol=20.16L，需要標準狀況下空氣的體積為20.16L0.2=100.8L。