Question

科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”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．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1.0×10⁵ Pa、反应时间3h）：

T/K	303	313	323	353
NH3生成量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

相应的化学方程式：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.2kJ?mol^-1
回答下列问题：
（1）该反应在较低温度下能否自发进行？

 

；
（2）从323K到353K，氨气的生成量减少的原因

 

；
（3）请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图1，并进行必要标注；

（4）工业合成氨的反应为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）．设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol N₂（g）和1.60mol H₂（g），反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数（NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比）为

4

7

．该条件下反应2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）的平衡常数为

 

；
（5）利用N₂和H₂可以实验NH₃的工业合成，而氨又可以进一步制备硝酸，在工业上一般可进行连续生产．请回答下列问题：
已知：N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180.5kJ?mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ?mol^-1
则氨气经催化氧化生成一氧化氮气体和水蒸气的热化学方程式为

 

；
（6）对反应N₂O₄（g）?2NO₂（g），在温度分别为T₁、T₂时，平衡体系中NO₂的体积分数随压强变化曲线如图2所示．下列说法正确的是

 

；
A．A、C两点的反应速率：A＞C
B．B、C两点的气体的平均相对分子质量：B＜C
C．A、C两点气体的颜色：A深，C浅
D．由状态B到状态A，可以用加热的方法
（7）现以H₂、O₂、熔融盐Na₂CO₃组成的燃料电池，采用电解法制备N₂O₅，装置如图3所示，其中Y为CO₂．写出石墨I电极上发生反应的电极反应式

 

；在电解池中生成1molN₂O₅转移电子的物质的量为

 

．

Answer 1

分析：（1）当△G=△H-T?△S＜0时，反应能自发进行；
（2）该正反应为吸热反应，升高温度，氨的含量应增大，但从323K到353K，氨气的生成量减少，只能是发生了其他反应；
（3）催化剂能降低反应的活化能，使反应速率加快，但不影响平衡，即不影响反应热，由此作图；
（4）先设氮气的转化率，再根据参加反应的氮气的量计算平衡时生成氨气的物质的量、剩余氮气的物质的量和剩余氢气的物质的量，再结合氨气的质量分数计算氨气的转化率．根据转化率计算平衡浓度，代入平衡表达式K=

c(N2)?c3(H2)

c2(NH3)

计算平衡常数；
（5）由已知热化学方程式根据盖斯定律构造目标热化学方程式；
（6）N₂O₄（g）═2NO₂（g）为分解反应，故该反应为吸热反应，升高温度，化学平衡正向移动，NO₂的体积分数增大；增大压强，化学平衡逆向移动，NO₂的体积分数减小，结合图象来分析解答．
A、A、C两点都在等温线上，压强越大，反应速率越快；
B、B、C两点组成相同，据此判断．
C、增大压强平衡向逆反应进行，向逆反应进行是由于压强增大导致浓度增大趋势，但到达平衡仍比原平衡浓度大；
D、压强相同，升高温度，化学平衡正向移动，NO₂的体积分数增大，A点NO₂的体积分数大；
（7）燃料原电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应；先根据化合价判断生成N₂O₅的电极，再根据离子的放电顺序写出电极反应式．

解答：解：（1）因该反应的△H＞，△S＞0，根据△G=△H-T?△S＜0反应可自发进行，故低温时△G＞0，所以低温时不能自发进行；
故答案为：不能；
（2）根据N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.2kJ?mol^-1，此正反应为吸热反应，根据平衡移动原理，升高温度，
平衡向吸热方向移动，氨的量应增加，从303K-323K，符合平衡移动规律，但从323K-353K，氨的量随温度的升高而降低，不符合平
衡移动原理，只能是发生了其他反应，即在高温下，氨气易被氧气氧化生成一氧化氮和水，
故答案为：氨气在高温下被氧气氧化；
（3）催化剂能降低反应的活化能，使反应速率加快，但不影响平衡，即不影响反应热，由此作图，故答案为：
；
（4）设氮气的转化率是x．
        N₂ +3H₂ ?2NH₃
反应前  0.6      1.6     0
 反应 0.6x      1.8x     1.2x
平衡 0.6（1-x） 1.6-1.8x 1.2x
平衡时，NH₃的物质的量分数=

1.2x

0.6(1-x)+1.6-1.8x+1.2x

=

4

7

，
解得：x=

2

3

．
故平衡时氮气的物质的量浓度=

0.6(1- 2 3 )mol

2.0L

=0.1mol/L，
氢气的物质的量浓度=

(1.6-1.8× 2 3 )mol

2.0L

═0.2mol/L，
氨气的物质的量浓度=

1.2× 2 3 mol

2.0L

=0.4mol/L，
平衡常数K=

c(N2)?c3(H2)

c2(NH3)

=

0.1×0．23

0．42

=5.0×10^-3，
故答案为：5.0×10^-3；
（5）已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ/mol
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ/mol
由盖斯定律可知，①×2-②×2+③×3得：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0kJ/mol，
故答案为：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0kJ/mol；
（6）A．由图象可知，A、C两点都在等温线上，C的压强大，则A、C两点的反应速率：A＜C，故A错误；
B．由图象可知，B、C两点二氧化氮的质量分数相同，故此两点平均相对分子质量相等：B=C，故B错误；
C．由图象可知，A、C两点都在等温线上，C的压强大，与A相比C点平衡向逆反应进行，向逆反应进行是由于减小体积增大压强，平衡移动的结果降低
NO₂浓度增大趋势，但到达平衡仍比原平衡浓度大，平衡时NO₂浓度比A的浓度高，NO₂为红棕色气体，则A、C两点气体的颜色：A浅，C深，故C错误；
D．升高温度，化学平衡正向移动，NO₂的体积分数增大，由图象可知，A点NO₂的体积分数大，则T₁＜T₂，由状态B到状态A，可以用加热的方法，故D正确；
故答案为：D；
（7）燃料原电池中，负极上燃料失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳和水，电极反应式为H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O；
N₂O₅中氮元素的化合价是+5价，而硝酸中氮元素也是+5价．因此应该在左侧生成N₂O₅，即在阳极区域生成，据电极反应离子放电顺序可知：阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑的反应，则阳极为N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，故生成1molN₂O₅转移电子的物质的量为1mol，故答案为：H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O；1mol．

点评：本题考查知识点较多，反应方向的判断、平衡的移动、平衡常数的计算、盖斯定律计算反应热、电化学原理等，中等难度．注意（2）问不能用平衡解释，只能是改变了反应原理，（6）问要先根据分解反应判断是吸热是关键，然后结合图象分析，（7）问注意介质参与反应．