Question

2．氨气有广泛用途，工业上利用反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0合成氨，其基本合成过程如下：

（1）某小组为了探究外界条件对反应的影响，以c₀mol/L H₂参加合成氨反应，在a、b两种条件下分别达到平衡，如图A．
①a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$mol•L^-1•min^-1．
②相对a而言，b可能改变的条件是增大c（N₂）．
③在a条件下t₁时刻将容器体积压缩至原来的$\frac{1}{2}$，t₂时刻重新建立平衡状态．请在答题卡相应位置画出t₁～t₂时刻c（H₂）的变化曲线．

（2）某小组往一恒温恒压容器充入9mol N₂和23mol H₂模拟合成氨反应，图B为不同温度下平衡混合物中氨气的体积分数与总压强（p）的关系图．若体系在T₂、60MPa下达到平衡．
①此时N₂的平衡分压为9MPa，H₂的平衡分压为15MPa．（分压=总压×物质的量分数）
②列式计算此时的平衡常数Kp=0.043（MPa）^-2．（用平衡分压代替平衡浓度计算，结果保留2位有效数字）
（3）分离器中的过程对整个工业合成氨的意义是及时分离出液氨，c（NH₃）减小，使平衡往生成NH₃的方向移动，增大原料利用率（或NH₃产率）．
（4）有人利用NO₂和NH₃构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放减少环境污染，又能充分利用化学能进行粗铜精炼，如图C所示，d极为粗铜．
①a极通入NO₂气体（填化学式）；
②b极电极反应为2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）①a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=v（H₂）=$\frac{1}{3}$×$\frac{△c}{△t}$；
②a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的正向移动；
③在a条件下t₁时刻将容器体积压缩至原来的$\frac{1}{2}$，氢气浓度增大，压强增大平衡正向进行，氢气浓度减小，t₂时刻重新建立平衡状态，浓度大于c₁，据此画出图象变化；
（2）①若体系在T₂、60MPa下达到平衡，相同温度下，气体的体积分数等于其物质的量分数，
设平衡时n（NH₃）=xmol，
                     N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol） 9            23                0
反应（mol） 0.5x       1.5x              x
平衡（mol）9-0.5x     23-1.5x          x
平衡时氨气体积分数=$\frac{x}{9-0.5x+23-1.5x+x}$×100%=60%，
x=12，
氮气分压=$\frac{9-0.5×12}{9+23-12}$×60MPa；
②此时的平衡常数Kp等生成物压强幂之积与反应物压强幂之积的比；
（3）分离器中的过程是分离出氨气促进平衡正向进行，提高原料利用率和产物的产量；
（4）根据图知，d极为粗铜，为电解池的阳极，e为精铜，为电解池阴极，d为阳极，所以通入a的电极是正极、通入b的电极是负极，原电池中NH₃和NO₂构成原电池，负极上氨气失电子发生氧化反应，正极上二氧化氮得电子发生还原反应．

解答 解：（1）①a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=$\frac{1}{3}$v（H₂）=$\frac{1}{3}$×$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1}{3}$×$\frac{（{c}_{0}-{c}_{1}）mol/L}{100{t}_{0}min}$=$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$mol/（L．min），
故答案为：$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$；
②a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的浓度减小，说明平衡正向移动，所以改变的条件是增大c（N₂），
故答案为：增大c（N₂）；
（ ③在a条件下t₁时刻将容器体积压缩至原来的$\frac{1}{2}$，t₂时刻重新建立平衡状态，t₁时刻变成2c₁，t₁～t₂时刻的趋势逐渐减小，终点达到新的平衡时浓度大于c₁，，
故答案为：；
（2）①若体系在T₂、60MPa下达到平衡，相同温度下，气体的体积分数等于其物质的量分数，
设平衡时n（NH₃）=xmol，
                   N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol）9             23                 0
反应（mol）0.5x        1.5x              x
平衡（mol）9-0.5x    23-1.5x            x
平衡时氨气体积分数=$\frac{x}{9-0.5x+23-1.5x+x}$×100%=60%，
x=12，
氮气分压=$\frac{9-0.5×12}{9+23-12}$×60MPa=9MPa；
氨气的分压=60%×60MPa=36MPa，
氢气分压=60MPa-9MPa-36MPa=15MPa，
此时的平衡常数Kp=$\frac{（36MPa）^{2}}{（9MPa）（15MPa）^{3}}$=0.043（MPa）^-2，
故答案为：9； 15；0.043（MPa）^-2；
（3）分离器中的过程是分离出氨气促进平衡正向进行，及时分离出液氨，c（NH₃）减小，使平衡往生成NH₃的方向移动，增大原料利用率（或NH₃产率）；
故答案为：及时分离出液氨，c（NH₃）减小，使平衡往生成NH₃的方向移动，增大原料利用率（或NH₃产率）；
（4）①根据图知，e为精铜，为电解池阴极，d为阳极，所以通入a的电极是正极、通入b的电极是负极，原电池中NH₃和NO₂构成原电池，负极上失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应，原电池中二氧化氮得电子生成氮气，氨气失电子生 成氮气，所以a电极上通入的是NO₂，
故答案为：NO₂；
②d为粗铜，电极上发生氧化反应，电极电极e为精铜，电极上发生还原反应，则a极为正极，正极上二氧化氮得电子生成氮气，b电极是氨气失电子发生氧化反应生成氮气，电极反应为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
故答案为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

点评 本题考查了化学反应速率、化学平衡的计算和影响因素分析、原电池和电解池原理的分析、图象的理解应用，掌握基础是解题关键，题目难度中等．