Question

研究氮的固定具有重要意义．
（1）雷雨天气中发生自然固氮后，氮元素转化为

 

而存在于土壤中．处于研究阶段的化学固氮新方法是N₂在催化剂表面与水发生如下反应：
2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H      K  ①
已知：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₁=-92.4kJ?mol^-1   K₁②
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ?mol^-1   K₂③
则△H=

 

；K=

 

（用K₁和 K₂表示）．
（2）在四个容积为2L的密闭容器中，分别充入1mol N₂、3mol H₂O，在催化剂条件下进行反应①3h，实验数据见下表：

序号	第一组	第二组	第三组	第四组
t/℃	30	40	50	80
NH3生成量/（10-6mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

下列能说明反应①达到平衡状态的是

 

（填字母）．
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3
b．反应混合物中各组份的质量分数不变
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃
d．容器内气体密度不变
若第三组反应3h后已达平衡，第三组N₂的转化率为

 

；第四组反应中以NH₃表示的反应速率是

 

，与前三组相比，NH₃生成量最小的原因可能是

 

．
（3）美国化学家发明一种新型催化剂可以在常温下合成氨，将其附着在电池的正负极上实现氮的电化学固定，其装置示意图如图：则开始阶段正极反应式为

 

；忽略电解过程中溶液体积变化，当电池中阴极区溶液pH=7时，溶液中NH₃?H₂O的浓度为

 

（ K_b=2×10^-5mol?L^-1）；当电池中阴极区呈红色时，溶液中离子浓度由大到小的顺序为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,原电池和电解池的工作原理,化学平衡状态的判断,化学平衡的计算

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）雷雨天气中发生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素转化为硝酸盐而存在土壤中，根据盖斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ?mol^-1×2+3×571.6kJ?mol^-1=+1530kJ?mol^-1，K=

K 2 1

K 3 2

；
（2）在反应2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3，反应不一定平衡；
b．反应混合物中各组份的质量分数不变，反应达到平衡；
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃，都向正反应方向移动，反应不一定平衡；
d．容器内气体密度逐渐增大，当不变时，反应达到平衡；
若第三组反应3h后已达平衡，反应的N₂的为

1

2

×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三组N₂的转化率为

3.0×10-6mol

1mol

×100%=3×10^-4%；
3小时内根据NH₃浓度的变化量，得v（NH₃）=

2×10-6mol

2L?3h

=3.33×10^-7mol/（L?h），第四组温度最高但达平衡时，氨气的物质的量最小，可能是催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢，
（3）开始阶段N₂在正极发生还原反应，正极反应式为N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；当电池中阴极区溶液pH=7时，c（OH^-）=1×10^-7mol/L，根据电荷守恒，可知c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=1mol/L，溶液中NH₃?H₂O，K_b=

c(N H + 4 )×c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1mol/L×1×10-7mol/L

c(NH3?H2O)

=2×10^-5mol?L^-1；c（NH₃?H₂O）=5×10^-3mol?L^-1；当电池中阴极区呈红色时，溶液显碱性，则溶液中的离子浓度大小顺序为：c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

解答： 解：（1）雷雨天气中发生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素转化为硝酸盐而存在土壤中，根据盖斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ?mol^-1×2+3×571.6kJ?mol^-1=+1530kJ?mol^-1，K=

K 2 1

K 3 2

；故答案为：硝酸盐；+1530kJ?mol^-1；

K 2 1

K 3 2

；
（2）在反应2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3，反应不一定平衡；
b．反应混合物中各组份的质量分数不变，反应达到平衡；
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃，都向正反应方向移动，反应不一定平衡；
d．容器内气体密度逐渐增大，当不变时，反应达到平衡；
若第三组反应3h后已达平衡，反应的N₂的为

1

2

×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三组N₂的转化率为

3.0×10-6mol

1mol

×100%=3×10^-4%；
3小时内根据NH₃浓度的变化量，得v（NH₃）=

2×10-6mol

2L?3h

=3.33×10^-7mol/（L?h），第四组温度最高但达平衡时，氨气的物质的量最小，可能是催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢，
故答案为：bd；3×10^-4%；3.33×10^-7mol/（L?h）；催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢；
（3）开始阶段N₂在正极发生还原反应，N的化合价降低为-3价，结合H⁺生成NH₄⁺，正极反应式为N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；当电池中阴极区溶液pH=7时，c（OH^-）=1×10^-7mol/L，根据电荷守恒，可知c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=1mol/L，溶液中NH₃?H₂O，K_b=

c(N H + 4 )×c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1mol/L×1×10-7mol/L

c(NH3?H2O)

=2×10^-5mol?L^-1；c（NH₃?H₂O）=5×10^-3mol?L^-1；当电池中阴极区呈红色时，溶液显碱性，则溶液中的离子浓度大小顺序为：c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；5×10^-3mol?L^-1；c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评：本题考查盖斯定律，电极反应式的书写，转化率，平衡状态，离子浓度大小比较，利用三段式法来分析解答即可，难度中等．