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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;
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(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
 
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:
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(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+CO32--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+CO32--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.
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相关习题

科目:高中化学 来源: 题型:阅读理解

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和另一种常见气体.进一步研究NH3生成量与温度的关系(其它条件均相同),部分实验数据见下表:
T/K 303 313 323
平衡时NH3的生成量/(10-6mol) 4.8 5.9 6.0
回答下列问题:
(1)写出该反应的化学方程式
2N2+6H2O
 催化剂 
.
 
4NH3+3O2
2N2+6H2O
 催化剂 
.
 
4NH3+3O2

(2)请在答题纸的坐标图中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,并进行必要标注

(3)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢.请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:
升高温度,增大反应物N2的浓度
升高温度,增大反应物N2的浓度

(4)已知:
N2(g)+3H2(g)═2NH3(g)△H=-92.4kJ/mol
H2(g)+Cl2(g)═2HCl(g)△H=-184.6kJ/mol
1
2
N2(g)+2H2(g)+
1
2
Cl2(g)═NH4Cl(s)△H=-313.6kJ/mol
①计算NH3(g)+HCl(g)═NH4Cl(s)的反应焓变:△H=
-175.1 kJ/mol
-175.1 kJ/mol

②室温下NH3就和HCl能发生化合反应生成NH4Cl;而在加热的条件下,NH4Cl则能分解为NH3和HCl.请用所学的化学原理解释这一现象:
NH3(g)+HCl(g)═NH4Cl(s)是一个焓减、熵减的反应,在低温下自发,在高温(加热条件)下不自发.而其逆反应NH4Cl的分解则在高温下自发
NH3(g)+HCl(g)═NH4Cl(s)是一个焓减、熵减的反应,在低温下自发,在高温(加热条件)下不自发.而其逆反应NH4Cl的分解则在高温下自发

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科目:高中化学 来源: 题型:

(2008?广东)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,部分实验数据见表(光照、N2压力1.0×105Pa、反应时间3h):
T/K 303 313 323 353
NH3生成量/(10-6mol) 4.8 5.9 6.0 2.0
相应的热化学方程式如下:N2(g)+3H2O(1)═2NH3(g)+
3
2
O2(g)△H1=+765.2kJ?mol-1
回答下列问题:
(1)请在答题卡的坐标图中,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,并进行必要标注.
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢.请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:
适当增大压强、研究新催化剂
适当增大压强、研究新催化剂

(3)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1.60molH2(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
.计算
①该条件下N2的平衡转化率;
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数.

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科目:高中化学 来源: 题型:阅读理解

自然界里氮的固定途径之一是在闪电的作用下,N2与O2反应生成NO.
(1)在不同温度下,反应N2(g)+O2(g)?2NO(g)△H=a kJ?mol-1的平衡常数K如下表:
温度/℃ 1538 1760 2404
平衡常数K 0.86×10-4 2.6×10-4 64×10-4
①该反应的a
 0(填“>”、“=”或“<”).
②其他条件相同时,在上述三个温度下分别发生该反应.
1538℃时,N2的转化率随时间变化如图所示,请补充完成1760℃时N2的转化率随时间变化的示意图.
(2)2404℃时,在容积为1.0L的密闭容器中通入2.6mol N2和2.6mol O2,计算反应N2(g)+O2(g)?2NO(g)达到平衡时NO的浓度.(此温度下不考虑O2与NO的反应.计算结果保留两位有效数字)
(3)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.相应的热化学方程式如下:
2N2(g)+6H2O(1)=4NH3(g)+3O2(g)△H=+1530kJ?mol-1
则氨催化氧化反应4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(1)的反应热△H=
(2a-1530)kJ?mol-1
(2a-1530)kJ?mol-1
.(用含a的代数式表示)
(4)最近一些科学家研究采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H+)实现氮的固定--氨的电解法合成,大大提高了氮气和氢气的转化率.总反应式为:N2+3H2?2NH3.则在电解法合成氨的过程中,应将H2不断地通入
极(填“正”、“负”、“阴”或“阳”);在另一电极通入N2,该电极反应式为
N2+6H++6e-=2NH3
N2+6H++6e-=2NH3

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科目:高中化学 来源:2011-2012年安徽红星中安工大附中高二下学期期中联考理科化学试卷(带解析) 题型:填空题

(6分)自然界里氮的固定途径之一是在闪电的作用下,N2与O2反应生成NO。
(1)在不同温度下,反应N2(g)+O2(g)2NO(g) DH=a kJ·mol1的平衡常数K如下表:

温度/℃
1538
1760
2404
平衡常数K
0.86×104
2.6×104
64×104
      该反应的△H   0(填“>”、“=”或“<”)。
(2)2404℃时,在容积为1.0L的密闭容器中通入2.6mol N2和2.6mol O2,计算反应:
N2(g)+O2(g)2NO(g)达到平衡时N2的浓度为        。(此温度下不考虑O2与NO的反应。计算结果保留两位有效数字)
(3)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。相应的热化学方程式如下:
2N2(g)+6H2O(1)=4NH3 (g)+3O2(g)   DH=+1530kJ·mol1
则氨催化氧化反应4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(1)的反应热DH        。 (用含a的代数式表示)

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