Question

【题目】新型材料 AIN 应用前景广泛，对其制备过程的研究成为热点。

(1)将物质的量均为a mol 的 Al2O3与N2 充入恒温恒容密闭容器中，控制温度发生反应：2Al2O3(s)+2N2(g) 4AlN(s) +3O2(g) △H>0。

①下列可作为反应达到平衡的判据是_________(填序号）。

A．固体的质量不再改变

B．2v正(N2)=3v逆(O 2)

C．△H 不变

D．容器内气体的压强不变

E．N2分子数与 O2 分子数比为 2:3

②在起始压强为p的反应体系中，平衡时 N2的转化率为α，则上述反应的平衡常数 Kp__________(对于气相反应，用某组分 B 的平衡压强 p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数，记作Kp，如p(B) =p总·x(B) ，p总为平衡总压强，x(B)为平衡系统中B的物质的量分数）。

③为促进反应的进行，实际生产中需加入焦炭，其原因是____________。

(2)铝粉与 N2 在一定温度下可直接生成 AlN， 加入少量 NH4Cl 固体可促进反应。将等质量的A1粉与不同量的 NH4Cl混合均匀后置于充 N2的密闭容器中，电火花引燃，产品中 AlN的质量分数[ω(AlN)] 随原料中ω(NH4Cl)的变化如图1所示，燃烧过程中温度随时间变化如图2所示。则：

①固体混合物中，ω(NH4Cl)的最佳选择是__________。

②结合图2解释当ω(NH4Cl)超过一定值后，ω(AlN)明显减少的原因__________。

(3)AIN粉末会缓慢发生水解反应，粒径为100 nm 的 AlN 粉末水解时溶液 pH的变化如图3 所示。

①AlN 粉末水解的化学方程式是______________。

②相同条件下，请在图3中画出粒径为40 nm 的AlN粉末水解的变化曲线____________。

Answer 1

【答案】AD p 消耗O2、提供能量，均能使平衡向右移动 3 % NH4Cl分解吸热造成温度降低，不利于Al 与N2反应 AlN + 4H2O Al(OH)3 + NH3H2O

【解析】

(1) ①根据反应达到平衡后，正逆反应速率，各成分的浓度不变及由此衍生的其它物理量进行分析；

②平衡时N2的转化率为α，由于反应物中只有N2是气体，所以起始压强p即为起始时N2的分压，列三段式求Kp；

③碳在氧气中燃烧放出热量，焦炭既可以消耗氧气，使生成物浓度降低，又可以提供热量，这两方面的作用都可以使平衡右移；

(2)①根据图像分析，当ω(NH4Cl)=3%时，ω(AlN)最大；

②从图2可以看出，反应过程中温度会降低。ω(NH4Cl)=3%时的温度比ω(NH4Cl)=1%时的温度降低得更多。这是因为NH4Cl分解吸热，当ω(NH4Cl)超过一定值后，NH4Cl分解吸热造成温度降低不利于Al 与N2反应，导致ω(AlN)明显减少；

(3)①AIN粉末会缓慢发生水解反应，生成Al(OH)3和NH3；

②相同条件下，由于粒径为40nm的AlN粉末和水的接触面积更大，所以其水解速率大于粒径为100nm的AlN粉末的水解速率，由于固体不影响平衡，所以最终溶液的pH是相同。

(1)①A．消耗2mol Al2O3会生成4molAlN，固体质量减少，当固体的质量不再改变时，反应达到了平衡状态；

B．当3v正(N2)=2v逆(O2)时，正逆反应速率相等，反应达到了平衡状态，但2v正(N2)=3v逆(O2)表示的正逆反应速率不相等，不是平衡状态；

C．△H取决于反应物和生成物的总能量的相对大小，和是否平衡无关；

D．在恒温恒容条件下，容器内的压强和气体的物质的量成正比。该反应是反应前后气体分子数不相等的反应，在平衡建立过程中，气体总物质的量一直在改变，只有达到平衡时，气体总物质的量才不再不变，即容器内压强才不变，所以当容器内气体的压强不变时，反应达到了平衡状态；

E．N2分子数与 O2 分子数之比和起始投料以及转化率有关，当N2分子数与O2分子数比为 2:3时，反应不一定是平衡状态；

故选AD。

②反应2Al2O3(s)+2N2(g) 4AlN(s) +3O2(g)，在起始时加入的是等物质的量的Al2O3与N2，由于反应物中只有N2是气体，所以起始压强p即为起始时N2的分压，列三段式求Kp，已知平衡时N2的转化率为α，则

Kp==p。

③为促进反应的进行，实际生产中需加入焦炭，焦炭和氧气反应，放出热量。焦炭既可以消耗氧气，使生成物浓度降低，又可以提供热量，这两方面的作用都可以使平衡右移，从而促进反应的进行。

(2)①从图1可以看出，当ω(NH4Cl)=3%时，ω(AlN)最大，所以最佳选择是ω(NH4Cl)=3%。

②从图2可以看出，反应过程中温度会降低。ω(NH4Cl)=3%时的温度比ω(NH4Cl)=1%时的温度降低得更多。这是因为NH4Cl分解吸热，当ω(NH4Cl)超过一定值后，NH4Cl分解吸热造成温度降低不利于Al 与N2反应，导致ω(AlN)明显减少

(3)①AIN粉末会缓慢发生水解反应，生成Al(OH)3和NH3，AlN 粉末水解的化学方程式是AlN + 4H2O Al(OH)3 + NH3H2O。

②相同条件下，由于粒径为40nm的AlN粉末和水的接触面积更大，所以其水解速率大于粒径为100nm的AlN粉末的水解速率，由于固体不影响平衡，所以最终溶液的pH是相同的。粒径为40 nm 的AlN粉末水解的变化曲线为。