Question

氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一．
（1）传统的工业合成氨技术的反应原理是：N₂（g）+3H₂（g）

催化剂

高温高压

2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol．在500℃、20MPa时，将N₂、H₂置于一个固定容积的密闭容器中发生反应，反应过程中各种物质的量变化如图所示，回答下列问题：
①计算反应在第一次平衡时的平衡常数K=

 

．（保留二位小数）
②产物NH₃在5～10min、20～25min和45～50min时平均反应速率[平均反应速率分别以v₁、v₂、v₃表示]从大到小排列次序为

 

．
③H₂在三次平衡阶段的平衡转化率分别以α₁、α₂、α₃表示，其中最小的是

 

．
④在25min和45min时，采取的措施分别是

 

；
（2）科学家一直致力研究常温、常压下合成氨的新方法．曾有实验报道：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和另一种常见气体．进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（光照、N₂压力1.0×10⁵Pa、反应时间3h）．

T/K	303	313	323
NH3生成量/（10?6mol）	4.8	5.9	6.0

①写出该反应的化学方程式

 

②与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢．请提出一条可提高其反应速率且增大NH₃生成量的建议：

 

．
（3）最近一些科学家研究采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实现氨的电解法合成，大大提高了氮气和氢气的转化率．总反应式为：N₂+3H₂

通电  .

2NH₃．则在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入

 

极（填“正”、“负”、“阴”或“阳”）；在另一电极通入N₂，该电极反应式为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,反应速率的定量表示方法,化学平衡的影响因素,电解原理

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）①根据图示数据得出第一次达到平衡时反应物和生成物浓度，再根据平衡常数的表达式计算出第一次平衡时平衡常数K；
②根据反应速率的表达式：v=

△c

△t

，时间变化都是5min，根据浓度变化判断v₁、v₂、v₃；
③根据表中达到平衡状态时氢气的浓度计算出氢气的转化率，然后判断H₂在三次平衡阶段的平衡转化率大小；
④25min时氨气的浓度为0、氢气和氮气的浓度逐渐减小，据此进行分析改变的条件；根据45min时氢气、氮气浓度减小、氨气浓度增加进行判断；
（2）①根据反应条件、反应物与生成物中化合价变化判断另一种反应产物，写出反应的化学方程式；
②根据影响化学反应速率以及平衡移动的因素分析；
（3）根据原电池反应原理判断氢气、氮气应该通入的电极，写出氮气发生的电极反应式．

解答： 解：（1）①第一次达到平衡常数时，氨气的浓度为：2.00mol/L，氢气浓度为：3.00mol/L，氮气的浓度为：1.00mol/L，
第一次平衡时平衡常数K=

2.002

1.00×3.002

≈0.15，
故答案为：0.15；
②5～10min氨气的浓度变化大于0.5mol/L，20～25min氨气浓度变化为0，45～50min氨气的浓度变化小于0.50.5mol/L，时间变化为5min，由v=

△c

△t

可知，反应速率关系为：v₁＞v₃＞v₂，
故答案为：v₁＞v₃＞v₂；
③第一次平衡时氢气的转化率为：

6.0-3.0

6.0

×100%=50%，第二次平衡时氢气的转化率为：

3.00-1.86

3.00

×100%=38%，第三次达到平衡时氢气的转化率为：

1.86-1.50

1.86

×100%≈19.4%，显然第三次氢气的转化率最低，即最小的是α₃，
故答案为：α₃；
④25min时生成物氨气的物质的量浓度为0、氮气和氢气的浓度逐渐减小，说明从反应体系中移出产物氨气，平衡向着正向移动；
45min时，氨气的浓度增大，氮气、氢气的浓度减小，化学平衡平衡向着正向移动，该反应是放热反应，说明降低了温度，
故答案为：从反应体系中移出产物、降低温度；
（2）①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和另一种常见气体，根据化合价变化可知，氮元素化合价降低，水中的元素化合价升高，则生成产物为氧气，该反应的化学方程式为：N₂+3H₂O

光照

催化剂

 2NH₃+O₂ ，
故答案为：N₂+3H₂O

光照

催化剂

 2NH₃+O₂ ；
②该反应正反应是吸热反应，升高温度，使化学平衡向正反应方向移动，从而增大NH₃生成量，升高温度也能提高反应速率；增大反应N₂浓度，加快反应速率，并使化学平衡向右移动；不断移出生成物脱离反应体系，使平衡向右移动，增大NH₃生成量，
故答案为：适当升高温度、增大反应物N₂的浓度；
（3）电解池的阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，所以氢气不断通入阳极；阴极氮气得到电子结合氢离子反应生成氨气，电极反应为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案为：阳；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

点评：本题考查了化学平衡的计算、化学平衡常数的计算、影响化学平衡的因素、物质的量浓度变化随时间变化的曲线，题目难度中等，注意掌握影响化学平衡的因素、化学平衡常数的表达式、化学平衡的计算中差量法的应用，试题培养了学生灵活应用所学知识的能力．