Question

（2013?日照一模）人工固氮是指將氮元素由游離態轉化為化合態的過程．
I．最近一些科學家研究采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定一電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉化率．
總反應式為：N₂（g）+3H₂（g）

通電

一定條件

2NH₃（g）
則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入

陽

極（填“陰”或“陽”）；向另一電極通入N₂，該電極的反應式為

N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃

．
II．據報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發生反應，主要產物為NH₃，相應的反應方程式為：2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g），△H=Q．
（1）上述反應的平衡常數表達式為

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

．
（2）取五份等體積N₂和H₂O的混合氣體（物質的量之比均為1：3），分別加入體積相同的恒玉密閉容器中，在溫度不相同的情況下發生反應，反應相同時間后，測得氮氣的體積分數φ（N₂）與反應溫度T的關系曲線如圖（1）所示，則上述反應的Q

＞

0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反應在有人化劑的情況下發生，則如圖（2）所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應體系能量變化的是

d

（選填字母代號），圖（2）中△H的絕對值為1530kJ?mol^-1．
III．目前工業合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1．
回答下列問題：
（1）結合II中的數據，則：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）的△H=

-570kJ?mol^-1

．

（2）在一定溫度下，將1mol N₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發生反應，達到平衡狀態時，測得氣體總物質的量為2.8mol．
①達平衡時，H₂的轉化率α₁=

60%

．
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態時NH₃的轉化率為α₂，當α₁+α₂=1時，則起始時NH₃的物質的量n（NH₃）

2

mol．

Answer 1

分析：Ⅰ．在電解池中，陽極上發生失電子的氧化反應，陰極上發生得電子的還原反應，根據電解的總反應來書寫電極反應；
Ⅱ．（1）平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積；
（2）曲線的變化先增大后變小．我們知道溫度升高反應速率加快．在此題中，反應相同時間，低溫下的兩點是未達到平衡的兩點，隨溫度的升高，氮氣的體積分數隨溫度升高而變大，曲線的最高點是某溫度下達到平衡的點，之后的兩點，皆是平衡后的氮氣的體積分數，且隨溫度升高而降低，則生成氨氣的反應是吸熱反應，即此反應的正反應為吸熱反應；
（3）根據（2）的結論，反應是吸熱反應，應從c、d曲線中找答案，使用催化劑可以降低反應的活化能；
Ⅲ．（1）根據蓋斯定律求出目標反應方程式，求出反應熱；
（2）根據差量法求出參加反應的H₂，然后求出轉化率；
（3）根據題意可以判斷出是從正逆兩個方向建立的平衡，由此推斷出起始時NH₃的物質的量為2mol．

解答：解：Ⅰ．跟據總反應式：N₂+3H₂

通電

一定條件

2NH₃，氫氣發生失電子的氧化反應，則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入陽極，在另一電極通入N₂，發生得電子的還原反應，即N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）上述反應的平衡常數表達式為：K=

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

，故答案為：

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

；
（2）曲線的變化先增大后變小．我們知道溫度升高反應速率加快．在此題中，反應相同時間，低溫下的兩點是未達到平衡的兩點，隨溫度的升高，氮氣的體積分數隨溫度升高而變大，曲線的最高點是某溫度下達到平衡的點，之后的兩點，皆是平衡后的氮氣的體積分數，且隨溫度升高而降低，則生成氨氣的反應是放熱反應，即此反應的正反應為吸熱反應，即△H＞0，故答案為：＞；
（3）根據（2）的結論，反應是吸熱反應，應從c、d曲線中找答案，使用催化劑可以降低反應的活化能，因此應該選d；
故答案為：d；
Ⅲ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=-1530kJ?mol^-1 ①
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1 ②
②×

2

3

-①×

1

3

，得：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=2/3×（-93 kJ?mol^-1）-1/3×（-1530 kJ?mol^-1）=-570kJ?mol^-1；
故答案為：-570kJ?mol^-1；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△n
         1       3          2        2
                1.8mol          （4-2.8）mol
 H₂的轉化率α₁為轉化率為

1.8mol

3mol

×100%=60%；
故答案為：60%；
②根據題意可以判斷出是從正逆兩個方向建立的平衡，由此推斷出起始時NH₃的物質的量為2mol，所以起始時NH₃的物質的量2mol，故答案為：2．

點評：本題以人工固氮為載體來考查化學反應原理中的電化學、化學反應的熱效應、化學反應的限度（平衡態的建立、轉化率、化學平衡與反應熱），難度中等．