Question

3．氮及其化合物在工农业生产和生命活动中起着重要的作用，铵盐、硝酸盐均是植物生长的“食物”，将氮气转化为氮气是植物获得“食物”的第一步，在常温常压下使N₂高效地转化成为NH₃是众多科学家们一直在探究的问题：
（1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化热△H=+44kJ•mol^-1
据报道，科学家已找到一种催化剂，使氨气与液态水在常温条件下转化为NH₃及氧气，写出反应的热化学方程式2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol；
（2）工业时合成氨的原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．图1表示H₂的转化率与温度、压强之间的关系，图2表示H₂的转化率与起始投料比[n（N₂）/n（H₂）]、压强的变化关系，则T₁、T₂、T₃的大小关系为T₁＞T₂＞T₃，曲线与曲线对应的压强P₁＞P₂（填“＞”“＜”“=”）．测得B（X，60）点时N₂的转化率为40%，则X=1：2
（3）一定温度下，将2molN₂和6molH₂置于一密闭容器中反应，测得平衡时容器的总压为aMPa，NH₃的物质的量总数为20%，列式计算出此时的平衡常数K_p=$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$（用平衡分压代替平衡浓度进行计算，分压=总压×体积分数，可不化简）．下列各项中能说明反应已达到平衡状态的是a．
a．混合气体的平均相对分子质量不变 b．N₂的消耗速率等于NH₃的生成速率
c．混合气体的密度不变 d．N₂和H₂的物质的量之比保持不变
（4）NH₃催化剂生成NO，以NO为原料通过电解的方法可以制备NH₄NO₃，其总反应是8NO+7H₂═3NH₄NO₃+2HNO₃，试写出以惰性材料作电极的阴极反应式：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O．电解过程中为使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需要补充NH₃的原因是总反应中有HNO₃生成，应补充NH₃与HNO₃反应生成NH₄NO₃．

Answer 1

分析 （1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化热△H=+44kJ•mol^-1，则可得：③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，②×2+③×6-①可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）；
（2）正反应为放热反应，温度越高，氢气的转化率越低；
正反应为气体物质的量减小的反应，压强越大，氢气的转化率越大；
测得B（X，60）点时N₂的转化率为40%，则：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：a      b
变化量（mol）：0.4a   1.2a
根据氢气的转化率可得$\frac{1.2a}{b}$=60%，即b=2a，可以计算起始投料比[n（N₂）/n（H₂）]；
（3）一定温度下，将2molN₂和6molH₂置于一密闭容器中反应，二者氨气1：3反应，故平衡时二者物质的量分数之比为1：3，平衡时NH₃的物质的量分数为20%，则N₂的物质的量分数为$\frac{1}{4}$×（1-20%）=20%，H₂的物质的量分数为1-20%-20%=60%，再计算各物质的分压，代入Kp=$\frac{{P}^{2}（N{H}_{3}）}{P（{N}_{2}）×{P}^{3}（{H}_{2}）}$计算；
a．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体总物质的量减小，则平均相对分子质量减小，混合气体的平均相对分子质量不变，说明反应到达平衡；
b．平衡时NH₃的生成速率等于N₂的消耗速率的2倍；
c．混合气体总质量不变、容器的容积不变，密度为常数；
d．N₂和H₂的起始物质的量之比等于化学计量数之比，二者物质的量之比始终为1：3；
（4）NH₃催化剂生成NO，以NO为原料通过电解的方法可以制备NH₄NO₃，其总反应是：8NO+7H₂O=3NH₄NO₃+2HNO₃，阴极发生还原反应，阴极上是NO获得电子生成NH₄⁺，由电荷守恒可知有H⁺参与反应，还生成水，电池总反应中有HNO₃生成，应补充NH₃与HNO₃反应生成NH₄NO₃．

解答 解：（1）已知：①4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
水的汽化热△H=+44kJ•mol^-1，则可得：③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，②×2+③×6-①可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol，
故答案为：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1650kJ/mol；
（2）正反应为放热反应，温度越高，氢气的转化率越低，则T₁＞T₂＞T₃；
正反应为气体物质的量减小的反应，压强越大，氢气的转化率越大，则：P₁＞P₂；
测得B（X，60）点时N₂的转化率为40%，则：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：a      b
变化量（mol）：0.4a 1.2a
根据氢气的转化率可得$\frac{1.2a}{b}$=60%，即b=2a，则X=$\frac{a}{b}$=$\frac{a}{2a}$=1：2，
故答案为：T₁＞T₂＞T₃；1：2；
（3）一定温度下，将2molN₂和6molH₂置于一密闭容器中反应，二者氨气1：3反应，故平衡时二者物质的量分数之比为1：3，平衡时NH₃的物质的量分数为20%，则N₂的物质的量分数为$\frac{1}{4}$×（1-20%）=20%，H₂的物质的量分数为1-20%-20%=60%，平衡时容器总压为aMPa，则Kp=$\frac{{P}^{2}（N{H}_{3}）}{P（{N}_{2}）×{P}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$；
a．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体总物质的量减小，则平均相对分子质量减小，混合气体的平均相对分子质量不变，说明反应到达平衡，故a正确；
b．平衡时NH₃的生成速率等于N₂的消耗速率的2倍，故b错误；
c．混合气体总质量不变、容器的容积不变，密度始终不变，故c错误；
d．N₂和H₂的起始物质的量之比等于化学计量数之比，二者物质的量之比始终为1：3，故d错误，
故答案为：$\frac{（0.2aMPa）^{2}}{0.2aMPa×（0.6aMPa）^{3}}$；a；
（4）NH₃催化剂生成NO，以NO为原料通过电解的方法可以制备NH₄NO₃，其总反应是：8NO+7H₂O=3NH₄NO₃+2HNO₃，阴极发生还原反应，阴极上是NO获得电子生成NH₄⁺，由电荷守恒可知有H⁺参与反应，还生成水，电极反应式为：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O，电池总反应中有HNO₃生成，应补充NH₃与HNO₃反应生成NH₄NO₃，
故答案为：NO+6H⁺+5e^-=NH₄⁺+3H₂O；总反应中有HNO₃生成，应补充NH₃与HNO₃反应生成NH₄NO₃．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡影响因素、平衡状态判断、热化学方程式书写、电解原理等，是对学生综合能力的考查，难度中等．