Question

合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响．合成氨反应的化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）3NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol．合成氨工业中原料气N₂可从空气中分离得到，H₂可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得．我国合成氨工业目前的生产条件为：催化剂-铁触媒，温度-400～500℃，压强-30～50MPa．
回答下列问题：
（1）合成氨工业中原料气压缩到30～50MPa的原因是

加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率

．从平衡移动原理分析，低温有利于原料气的转化，实际生产中采用400～500℃的高温，原因之一是考虑到催化剂的催化活性，原因之二是

增加反应速率，缩短达到平衡的时间

．
（2）500℃、50MPa时，在容积为VL的容器中加入n mol N₂、3n mol H₂，反应达平衡后测得平衡常数为K，此时N₂的转化率为x．则K和x的关系满足K=

4xV2

27n2(1-x)4

．
（3）甲烷在高温下与水蒸气反应反应方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）．部分物质的燃烧热数据如下表：

物  质	燃烧热（kJ?mol-1）
H2（g）	-285.8
CO（g）	-283.0
CH4（g）	-890.3

已知1mol H₂O（g）转变为1mol H₂O（l）时放出44.0kJ热量．写出CH₄和H₂O在高温下反应的热化学方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ?mol^-1

．
（4）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N₂、H₂为电极反应物，以HCl-NH₄Cl为电解质溶液制取新型燃料电池．请写出该电池的正极反应式

N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺

．

Answer 1

分析：（1）由外界条件对化学平衡以及化学反应速率的影响分析；
（2）计算平衡时各物质的浓度，进而计算平衡常数；
（3）根据燃烧热写出热化学方程式，利用盖斯定律计算；
（4）N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，以此书写电极反应式．

解答：解：（1）合成氨反应的化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，反应物气体的化学计量数大于生成物气体的化学计量数，则加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率，升高温度虽然不利于平衡向正反应方向移动，但能增大反应速率，缩短达到平衡的时间．
故答案为：加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率；增加反应速率，缩短达到平衡的时间；         
（2）N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）
起始：

n

V

mol/L   

3n

V

mol/L         0
转化：

nx

V

mol/L   

3nx

V

mol/L      

2nx

V

mol/L
平衡：

n(1-x)

V

mol/L

3n(1-x)

V

mol/L

2nx

V

mol/L
k=

( 2nx V )2

( n(1-x) V )×( 3n(1-x) V )3

=

4xV2

27n2(1-x)4

，
故答案为：

4xV2

27n2(1-x)4

；
（3）已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g） ）△H=-283.0kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l））△H=-890.3kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1，
利用盖斯定律将④+③-②-3×①可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=（-44.0kJ?mol^-1）+（-890.3kJ?mol^-1）-（-283.0kJ?mol^-1）-3×（-285.8kJ?mol^-1）=+206.1 kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1；
（4）N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，电极反应式为N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，故答案为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

点评：本题考查化学平衡的计算以及盖斯定律的应用，题目难度中等，解答本题时注意把握计算方法，平衡常数的计算以及电极方程式的书写是化学原理模块常考查内容．