Question

氮的固定对人类的生存发展具有重要意义，科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究．
（1）豆科植物的根瘤菌含有一种固氮酶，能在常温下将空气中的氮气转化为自身生长所需含氮化合物，下列说法错误的是

 

．
A．固氮酶是一种蛋白质                     B．固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量
C．固氮酶能使固氮反应的平衡正向移动       D．固氮酶能加快固氮反应的速率
（2）合成氨是目前最重要的固氮方法．如图1为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下，初始时氮气、氢气的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的体积分数的变化曲线．

①A、B两平衡状态相比较，前者较大的是

 

．
a．平衡常数
b．平衡混合物的平均摩尔质量
c．氢气的转化率
d．从反应开始至达平衡状态所需要的时间
②图中p₁、p₂、p₃的大小顺序为

 

．
③在250℃、p₂下，H₂的转化率为

 

%（结果保留小数点后1位）．
（3）据报道：在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂（掺有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面与水发生反应，生成的主要产物为NH₃和一种单质．已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H_l═-285.6kJ/mol②N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol
写出此条件下氮气和水反应的热化学方程式

 

．
（4）如图2为一种常温常压下水溶液中电化学合成氨的实验装置示意图．请据此写出其正极反应的电极反应式

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的调控作用,工业合成氨,氮的固定

专题：化学平衡专题,元素及其化合物

分析：（1）酶属于蛋白质，所以固氮酶为一种蛋白质，根据题干信息可知，固氮酶“可以在常温下将空气中的氮气转化为自身生长所需含氮化合物”，说明大大降低了固定反应发生所需能量、提高了反应速率，但是固氮酶不会影响固定反应的化学平衡；
（2）①B的温度大于A，根据温度对可逆反应N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol的影响判断平衡常数大小；A、B出氨气的体积分数相等，则各组分的含量相等，混合气体的平均摩尔质量、氢气的转化率越大相等；B的压强、温度大于A，据此判断达到平衡状态所需时间大小；
②根据温度相同时，氨气的体积分数大小及压强对合成氨的反应的影响判断压强p₁、p₂、p₃的大小大小；
③在250℃、p₂下氨气的体积分数为50%列式计算出达到平衡时消耗氢气的物质的量，再计算出氢气的转化率；
（3）先根据反应物和生成物写出方程式：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g），再根据盖斯定律及题中热化学方程式计算出目标反应的焓变，最后写出其热化学方程式即可；
（4）根据图2可知，正极发生氧化反应，氮气失去电子与水电离的氢离子结合生成氨气，据此写出电极反应式．

解答： 解：（1）A．酶都属于蛋白质，所以固氮酶是一种蛋白质，故A正确；                     
B．固氮酶起到了催化剂的作用，所以固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量，使反应在常温下就可以进行，故B正确；
C．催化剂只能改变反应速率，不能影响化学平衡，所以固氮酶不能使固氮反应的平衡正向移动，故C错误；       
D．催化剂能够加快反应速率，所以固氮酶能加快固氮反应的速率，故D正确；
故答案为：C；
（2）①a．平衡常数只受温度影响，根据图象可知，A点的温度小于B，合成氨的反应为放热反应，温度升高，平衡向着逆向移动，平衡常数减小，所以A的平衡常数大于B，故A正确；
b．A、B都处于平衡状态时，氨气的体积分数相等，则氮气和氢气的体积分数也相等，则混合气体的平均摩尔质量：A=B，故B错误；
c．氢气的转化率：由于A、B达到平衡状态时各组分的含量完全相同，所以氢气的转化率：A=B，故c错误；
d．B的压强、温度都大于A，则B的反应速率大于A，所以B优先达到平衡状态，即从反应开始至达平衡状态所需要的时间：A＞B，故d正确；
故答案为：ad；
②相同温度下，压强增大，平衡向着正向移动，氨气的体积分数增大，氨气的体积分数关系为：p₁＞p₂＞p₃，则压强大小为：p₁＞p₂＞p₃，
故答案为：p₁＞p₂＞p₃，
③在250℃、1.0×10⁴kPa下，初始时氮气、氢气的体积比为1：3，氨气的体积分数为50%，设氮气的转化率为x，则
       N₂+3H₂?2NH₃
开始   1   3    0
转化   x   3x  2x
平衡  1-x 3-3x  2x
所以

2x

4-2x

=50%，解得x=

2

3

，
则氢气的转化率为：

3× 2 3

3

×100%≈66.7%，
故答案为：66.7；
（3）①H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H_l═-285.6kJ/mol②N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol，
氮气与水反应的化学方程式为：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g），
根据盖斯定律，②×2-①×6可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=2△H₂-6△H_l═+1529.2kJ/mol，
故答案为：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1529.2kJ/mol；
（4）根据图示可知，电解质阳极氮气失去电子发生氧化反应生成氨气，电极反应式为：N₂-6e^-+6H₂O=2NH₃+6OH^-（或N₂-6e^-+6H⁺=2NH₃），
故答案为：N₂-6e^-+6H₂O=2NH₃+6OH^-（或N₂-6e^-+6H⁺=2NH₃）．

点评：本题考查制备实验方案的设计，综合性较强，题目难度较大，涉及化学平衡及计算、电解池原理、热化学反应等高考常考考点，注重学生能力的训练，把握图象及数据处理即可解答．