Question

【題目】氮及其化合物在工農業生產和生命活動中起著重要作用。

(1)氨氣是一種重要的化工原料，氨態氮肥是常用的肥料。

哈伯法合成氨技術的相關反應為:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-93kJ/mol，實際生產中，常用工藝條件：Fe作催化劑，控制溫度773K、壓強3.0×107Pa，原料氣中N2和H2物質的量之比為1：2.8。

①合成氨技術是氮的固定的一種，屬于______(選填“大氣固氮”、“生物固氮”“人工固氮”)。

②合成氨反應常用鐵觸媒催化劑，下列關于催化劑的說法不正確的是_________。

A.可以加快反應速率 B.可以改變反應熱

C.可以減少反應中的能耗 D.可以增加活化分子的數目

③關于合成氨工藝的下列理解，正確的是_________。

A.原料氣中N2過量，是因N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉化率

B.控制溫度(773K)遠高于室溫，是為了保證盡可能高的平衡轉化率和快的反應速率

C.當溫度、壓強一定時，在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體，有利于提高平衡轉化率

D.分離空氣可得N2，通過天然氣和水蒸氣轉化可得H2，原料氣須經過凈化處理，以防止催化劑中毒和安全事故發生

(2)肼(N2H4)是氮的氫化物之一，其制備方法可用次氯酸鈉氧化過量的氨氣。

①次氯酸鈉溶液顯堿性，表示原理的離子方程式是_________________________。

②常溫下，該水解反應的平衡常數為K=1.0×10-6mol/L，則1.0mol/LNaClO溶液的pH=____。

③肼與N2O4氧化反應生成N2和水蒸氣。

已知：N2(g)+2O2(g)=N2O4(l) △H=-19.5kJ/mol

N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534.2kJ/mol

請寫出肼和N2O4反應的熱化學反應方程式_________________________________。

(3)在NH4HCO3溶液中，反應NH4++HCO3-+H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常數K=_____。(已知常溫下NH3·H2O的電離平衡常數Kb=2×10-5，H2CO3的電離平衡常數Ka1=4×10-7)。

Answer 1

【答案】人工固氮 BC AD ClO-+H2OHClO+OH- 11 2N2H4(l)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1048.9kJ/mol 1.25×103

【解析】

(1)①由氮元素的單質變為氮的化合物的過程為氮的固定，可根據氮固定形式判斷固定方式；

②催化劑可降低反應的活化能，提高活化分子百分數，加快化學反應速率但不能使反應平衡發生移動；

③根據合成氨氣的反應是氣體體積減小的放熱反應，從化學反應速率和化學平衡移動角度分析外界條件對合成氨氣反應的影響；

(2)①根據次氯酸鈉是強堿弱酸鹽，利用鹽的水解規律分析；

②根據水解平衡常數的含義計算溶液中c(OH-)，然后利用水的離子積計算c(H+)再根據pH=-lg(H+)計算pH；

③根據蓋斯定律，將兩個熱化學方程式疊加，可得相應的熱化學方程式；

(3)根據水解平衡常數的表達式與Kb、Ka1和水的離子積的關系計算。

(1)①N2與H2在催化劑存在時，在高溫、高壓條件下發生反應產生NH3，該反應屬于氮的固定，是人工固氮；

②A.鐵觸媒是合成氨氣的催化劑，由于降低了反應的活化能，使更多的分子變為活化分子，活化分子數增加，反應速率加快，A正確；

B.催化劑可以改變反應途徑，但不能改變物質的始態和終態，因此不可以改變反應熱，B錯誤；

C.由于催化劑不能改變物質的始態和終態，因此不能改變反應過程的能量變化，所以不能減少反應中的能耗，C錯誤；

D.由于催化劑可降低反應的活化能，使更多的普通分子變為活化分子，所以可以增加活化分子的數目，D正確；

故合理選項是BC；

③A.合成氨氣中N2、H2反應的物質的量的比是1：3，加入的原料氣中N2和H2物質的量之比為1：2.8，N2過量，是因N2相對易得，適度過量可以加快反應速率，由于增大了一種反應物的濃度，可以使化學平衡正向移動，從而可以使其它反應物的轉化率提高，從而可提高H2的轉化率，A正確；

B.控制溫度(773K)遠高于室溫，主要是因為在此溫度下催化劑的活性最大，由于該反應的正反應是放熱反應，所以升高溫度，化學平衡逆向移動，反應物平衡轉化率降低，B錯誤；

C.當溫度、壓強一定時，在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體，由于不能改變任何一種反應物的濃度，因此對物質平衡轉化率無影響，C錯誤；

D.空氣的主要成分是N2、O2，分離空氣可得N2，通過天然氣和水蒸氣轉化可得H2，原料氣N2、H2必須經過凈化處理，以防止催化劑中毒導致失去催化活性及發生安全事故發生，D正確；

故合理選項是AD；

(2)①次氯酸鈉是強堿弱酸鹽，在溶液中ClO-會發生水解反應：ClO-+H2OHClO+OH-，最終達到平衡時，溶液中c(OH-)>c(H+)，所以溶液顯堿性；

②ClO-的水解平衡常數K==1.0×10-6mol/L，c2(OH-)=1.0mol/L×1.0×10-6mol/L=1.0×10-6mol2/L2，所以c(OH-)=1.0×10-3mol/L，則c(H+)==1.0×10-11mol/L，所以溶液的pH=11；

③(i)N2(g)+2O2(g)=N2O4(l) △H=-19.5kJ/mol

(ii)N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534.2kJ/mol

(ii)×2-(i)，整理可得2N2H4(l)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1048.9kJ/mol

(3)反應NH4++HCO3-+H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常數K==1.25×10-3。