Question

9．氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在生产生活中有着重要作用．
（1）如图是1mol NO₂气体和1mol CO反应生成CO₂和NO过程中能量变化示意图．则反应过程中放出的总热量应为234kJ．
（2）在固定体积的密闭容器中，进行如下化学反应：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H＜0，其平衡常数K与温度T的关系如下表：

T/K	298	398	498
平衡常数K	4.1×106	K1	K2

①写出该反应的平衡常数表达式．K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②试判断K_1＞K₂（填写“＞”“=”或“＜”）．
③下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是c（填字母）．
a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2           b．v（N₂）=3v（H₂）
c．容器内压强保持不变                                             d．混合气体的密度保持不变
（3）化合物N₂ H₄做火箭发动机的燃料时，与氧化剂N₂O₄反应生成N₂和水蒸气．某同学设计了一个N₂ H₄-空气碱性燃料电池，并用该电池电解200mL一定浓度NaCl与CuSO₄混合溶液，其装置如图所示．

①该燃料电池的负极反应式为N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑；
②理论上乙中两极所得气体的体积随时间变化的关系如丙图所示（气体体积已换算成标准状况下的体积），写出在t₁-t₂时间段铁电极上的电极反应式Cu²⁺+2e^-=Cu；原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为0.1mol/L．
③在t₂时所得溶液的pH为1．（假设溶液体积不变）

Answer 1

分析 （1）根据能量变化图，反应热等于正反应的活化能减去逆反应的活化能；
（2）①依据平衡常数等于平衡生成物浓度的幂次方乘积除以反应物浓度的幂次方乘积；
②根据升高温度平衡吸热方向移动以及平衡逆向移动平衡常数减小；
③直接标志：①速率关系：正反应速率与逆反应速率相等，②反应体系中各物质的百分含量保持不变．
间接标志：①混合气体的总压强、总体积、总物质的量不随时间的改变而改变（m+n≠p+q）；②各物质的浓度、物质的量不随时间的改变而改变；③各气体的体积、各气体的分压不随时间的改变而改变；
（3）电池通入肼N₂H₄的为负极，乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu，故图丙中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，依据生成的迁移体积计算物质的量得到氯化钠物质的量计算浓度，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，根据氧气的量计算氢氧根离子的物质的量，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，根据公式计算得出C（H⁺），从而得出溶液的pH．

解答 解：解：（1）该反应的焓变△H=E₁-E₂=134KJ/mol-368KJ/mol=-234KJ/mol，所以热化学方程式为NO₂（g）+CO（g）=CO₂（g）+NO（g）△H=-234kJ•mol^-1，则反应过程中放出的总热量应为234kJ，
故答案为：234kJ；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，平衡常数计算表达式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，所以K₁＞K₂，
故答案为：＞；
③a．平衡时反应混合物中各组分的含量保持不变，但容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比不一定为为1：3：2，所以不能作为平衡的标志，故a错误；
b．平衡时不同物质表示速率之比等于系数之比说明到达平衡，即3v（N₂）_正=v（H₂）_逆说明反应达到平衡，故b错误；
c．反应前后气体体积减小，若压强不变，说明反应达到平衡，故c正确；
d．反应前后气体的质量不变，容器的体积不变，所以密度不变，所以混合气体的密度保持不变不能作为平衡的标志，故d错误；
故答案为：c；
（3）①肼燃料电池中，在碱性条件下，N₂H₄失电子生成氮气与水，电极反应式为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O，
故答案为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O；
②乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu，故图丙中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，生成氯气为224mL，由2Cl^--2e^-=Cl₂↑可知，n（NaCl）=2n（Cl₂）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×2=0.02mol，所以c（NaCl）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L；
t₁～t₂电极反应式为：（阳极）4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂点后电极反应式为：（阳极）4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨电极上的电极反应式为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极Cu²⁺+2e^-=Cu，所以t₁～t₂铁电极上的电极反应式为：Cu²⁺+2e^-=Cu，
故答案为：Cu²⁺+2e^-=Cu； 0.1mol/L；
③t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，t₁～t₂Ⅱ产生的气体体积=0.336L-0.224L=0.112L，阳极上生成112mL氧气需要n（OH^-）=$\frac{0.112L×4}{22.4L}$=0.02mol，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案为：1．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的有关计算、电解池原理等知识点，题目难度较大，注意电解硫酸铜和氯化钠混合溶液时，明确离子的放电顺序是解本题的关键，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．