Question

【题目】德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为： N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=－92.4kJ·mol－1

一种利用天然气合成氨的简易流程如下：

天然气先经脱硫，然后通过两次转化，再经过二氧化碳脱除等工序，得到氮氢混合气，进入氨合成塔，制得产品氨。

（1）仅从提高氨产率的角度，氨合成塔中适宜的生产条件是 。

（2）CH4与水蒸气制氢气的反应为CH4(g)+ H2O (g)CO (g) +3H2(g)，在2 L的密闭容器中，将物质的量各1 mol的CH4和H2O (g)混合反应，CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示：

①该反应的△H 0（填﹥、﹤）。

②图中压强P1 P2（填﹥、﹤）。

③200℃时该反应的平衡常数K= （保留一位小数）。

（3）NH3经过催化氧化生成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，试写出以惰性材料作电极的阴极反应式： ；阳极反应式： ；电解过程中需要补充一种物质才能使电解产物全部转化为NH4NO3，该物质是 。

Answer 1

【答案】（1）低温、高压（2）①＞②＜③K=69.1（mol·L－1）2

（3）阴极：3NO+15e-+18H+=3NH4++3H2O

阳极：5NO－15e-+10H2O=5NO3-+20H+；氨水或氨气

【解析】

试题分析：（1）因为合成氨的反应为气体减小的放热反应，为提高氨的产率，平衡逆向移动，氨合成塔中适宜的生产条件是低温、高压。

（2）①由图可知，压强不变，温度越高CH4（g）的转化率越大，故温度升高平衡向正反应方向移动，升高温度平衡向吸热反应方向移动，所以正反应为吸热反应，即△H＞0。 ②温度容积不变，增大压强平衡向体积减小的方向移动即逆反应方向移动，则CH4（g）的转化率越小，所以压强越大，CH4（g）的转化率越小，则P1＜P2。③200℃，CH4（g）的转化率0.8，所以参加反应的CH4（g）的物质的量为0.8mol。

CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）

起始浓度（mol/L）：0.5 0.5 0 0

转化浓度（mol/L）：0.4 0.4 0.4 1.2

平衡浓度（mol/L）：0.1 0.1 0.4 1.2

所以200℃时该反应的平衡常数K= c(CO)c3(H2)/ c(CH4)c(H2O) =(0.4×1.23)/(0.1×0.1)=69.1（mol·L－1）2。

（3）电解NO制备NH4NO3，阴极发生还原反应，电极反应式为3NO + 15e-+ 18H+ = 3NH4+ + 3H2O，阳极发生氧化反应，电极反应式为5NO－15e- + 10H2O = 5NO3-+20 H+，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO3-的物质的量大于阴极产生的NH4+的物质的量，总反应方程式为8NO+7H2O 3NH4NO3+2HNO3，因此若要使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充氨气或氨水。