Question

（2009?中山模擬）工業合成氨與制備硝酸一般可連續生產，流程如下：

（1）某溫度下體積為200L的氨合成塔中，測得如下數據：

時間（h）濃度（mol/L）	0	1	2	3	4
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

根據表中數據計算0～2小時內N₂的平均反應速率

0.15

mol?L^-1?h^-1
若起始時與平衡時的壓強之比為a，則N₂的轉化率為

2（1-

1

a

）

（用含a的代數式表示）
（2）希臘阿里斯多德大學的 George Marnellos 和 Michael Stoukides，發明了一種合成氨的新方法（Science，2，Oct.1998，p98），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，利用能通過氫離子的多孔陶瓷固體作電解質，氫氣和氮氣在電極上合成了氨，轉化率達到78%，試寫出電解池陰極的電極反應式

N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃

（3）氨氣和氧氣從145℃就開始反應，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產物（如圖）：
4NH₃+5O₂?4NO+6H₂O　 K₁=1×10⁵³（900℃）
4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O　  K₂=1×10⁶⁷（900℃）溫度較低時以生成

N₂

為主，溫度高于900℃時，NO產率下降的原因

生成NO的反應為放熱反應，升高溫度轉化率下降

．吸收塔中需要補充空氣的原因

進一步與NO反應生成硝酸

．
（4）尾氣處理時小型化工廠常用尿素作為氮氧化物的吸收劑，此法運行費用低，吸收效果好，不產生二次污染，吸收后尾氣中NOx的去除率高達99.95%．其主要的反應為氮氧化物混合氣與水反應生成亞硝酸，亞硝酸再與尿素反應生成CO₂和N₂請寫出有關反應化學方程式

NO+NO₂+H₂O=2HNO₂

，

CO（NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O

．

Answer 1

分析：（1）根據v=

△c

△t

計算v（N₂）；根據壓強比計算出平衡時混合氣體總的物質的量，再根據差量法計算參加反應的氮氣的物質的量，利用轉化率的定義計算．
（2）電解池的陰極發生得電子的還原反應，總反應式減去陽極電極反應式，即為陰極電極反應式．
（3）由圖可知低溫主要產物為氮氣；生成NO的反應為放熱反應；吸收塔內生成硝酸．
（4）尾氣中的氧化物主要為NO、NO₂，由題目信息可知，二者與水反應生成亞硝酸，亞硝酸再與尿素反應生成CO₂和N₂，然后配平．

解答：解：（1）由表可知氮氣的起始濃度為1.5mol/L，2小時氮氣的濃度為1.5mol/L．
所以2小時內氮氣的速率為v（N₂）=

1.5mol/L-1.2mol/L

2h

=0.15mol?L^-1?h^-1．
開始氮氣的物質的量為1.5mol/L×200L=300mol，開始氫氣的物質的量為4.5mol/L×200L=900mol，氨氣為0．
對于反應     N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g），物質的量減少△n
              1                                         2
變化（mol）：n                                         2n     
所以平衡后混合氣體總的物質的量為（300+900-2n）mol=（1200-2n）mol，
所以

1200mol

(1200-2n)mol

=a，解得n=

600a-600

a

所以氮氣的轉化率為

600a-600 a mol

300mol

=2（1-

1

a

）．
故答案為：0.15mol?L^-1?h^-1 ；  2（1-

1

a

）．
（2）總反應式為N₂+3H₂=2NH₃；
陽極的電極反應為3H₂-6e^-═6H⁺；
總反應式減去陰極電極反應式，即為正極電極反應式，
所以陰極電極反應式為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
故答案為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
（3）由圖可知低溫主要產物為氮氣N₂．
生成NO的反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，NO的轉化率下降．
合成塔反應過程中產生NO，為充分利用，補充空氣會進一步與NO反應生成硝酸．
故答案為：N₂；生成NO的反應為放熱反應，升高溫度轉化率下降；進一步與NO反應生成硝酸．
（4）由題目信息可知，NO、NO₂二者混合物與水反應生成亞硝酸，反應方程式為NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；
亞硝酸再與尿素反應生成CO₂和N₂，反應方程式為CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
故答案為：NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；   CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．

點評：本題考查化學反應速率及化學平衡計算、電解池等，綜合較大，難度中等，注意兩電極反應式相加得總反應式時，兩電極得失電子數應相等．