Question

在容积固定且为2L的密闭容器中进行反应：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol，恒温条件下，体系中某两种物质的物质的量随时间关系图，回答下列问题：
（1）图象中a、b、c、d四点，其中处于平衡状态的点有

 

．
（2）用H₂表示15分钟内的反应速率为v（H₂）=

 

．达到平衡状态时，下列说法不正确的是

 

．
A．2v（N₂）_正=v（NH₃）_逆
B．容器的总压强不再随时间而变化
C．N₂、NH₃的分子数之比保持1：2不变
D．混合气体的摩尔质量保持不变
E．充入少量He时平衡体系中H₂的体积百分含量将会减小
（3）25min时采用的措施是

 

；若从a点时刻改变某一条件，以实现达到d点时的状态，此时K_b

 

K_d（填“＜”、“＞”或“=”）．
（4）以N₂、H₂为电极反应物，以1L浓度均为0.05mol?L^-1的HCl-NH₄Cl混合液为电解质溶液的燃料电池，请写出电池工作时的正极反应式：

 

．已知NH₃?H₂O在常温下的电离平衡常数为K，N₂-H₂燃料电池工作一段时间后溶液的pH=7，求电路中通过的电子的物质的量为

 

（用含K的代数式表示，假设NH₃与H₂O完全转化为NH₃?H₂O且忽略溶液体积的变化）．

Answer 1

考点：化学平衡的调控作用,化学电源新型电池,化学平衡状态的判断

专题：

分析：（1）当可逆反应中各组分浓度不再变化时，说明该反应处于化学平衡状态，据此结合图象进行判断；
（2）物质的量变化与方程式中的化学计量数成正比，根据图象中达到平衡状态时物质的量变化找出二者化学计量数之比，然后判断两曲线分别代表的物质，再根据反应速率的表达式计算出15分钟内的反应速率为v（H₂）；根据化学平衡状态的特征进行判断；
（3）结构25min时氨气的物质的量有1.2mol变为0.4mol，而氮气的物质的量不变进行判断改变的条件；根据温度不变，化学平衡常数不变进行解答；
（4）N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，以此书写电极反应式；根据溶液pH=7可知溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，然后根据一水合氨的电离平衡常数计算出溶液中氨水的浓度，再计算出氮气反应生成氨气和铵根离子的物质的量，最后计算出转移的电子数．

解答： 解：（1）根据图象可知，在a、c两点，对应的物质的物质的量仍然发生变化，说明没有达到平衡状态，而b、d两点，对应的物质浓度不再变化，说明已经达到平衡状态，
故答案为：bd；
（2）根据图象可知，b所在的曲线达到平衡时物质的量变化为：1.2mol-0.8mol=0.4mol，d所在的曲线达到平衡时浓度变化为：1.2mol-1.0mol=0.2mol，二者的浓度变化之比为：0.2mol：0.4mol=1：2，化学计量数为1：2的为氮气和氨气，所以从0.8mol开始反应的曲线代表的是氨气的物质的量变化曲线，从1.2mol开始反应的曲线代表的是氮气的物质的量变化曲线，第一次达到平衡状态时，氮气的物质的量减小了0.2mol，则氢气的物质的量变化为：0.2mol×3=0.6mol，用氢气表示15min内平均反应速率为：v（H₂）=

0.6mol 2L

15min

=0.02mol/（L?min）；
A．2v（N₂）_正=v（NH₃）_逆：表示的是正逆反应速率，且正逆反应速率相等，说明达到了平衡状态，故A正确；
B．容器的总压强不再随时间而变化：达到平衡状态时，各组分的百分含量不再变化，所以气体的总物质的量不变，容器容积不变，所以容器的总压强不再随时间而变化，故B正确；
C．N₂、NH₃的分子数之比保持1：2不变：达到平衡状态时，氮气和氨气的分子数不再变化，但是不一定为1：2，故C错误；
D．混合气体的摩尔质量保持不变：达到平衡状态时，混合气体的总质量不变，气体的总物质的量不变，所以混合气体的摩尔质量保持不变，故D正确；
E．充入少量He时平衡体系中H₂的体积百分含量将会减小：充入稀有气体，由于各组分的浓度不变，所以化学平衡不移动，各组分的含量不变，故E错误；
故答案为：0.02mol/（L?min）；CE；
（3）根据图象可知，25min时氨气的物质的量突然有1.2mol变为0.4mol，氨气减少了0.8mol，而此时氮气的物质的量不变，说明改变的条件是减小了0.8mol氨气；由于从平衡状态b到d，温度没有变化，则化学平衡常数不变，即：K_b=K_d，
故答案为：分离出0.8mol氨气；=；
（4）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，N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，电极反应式为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；
已知NH₃?H₂O在常温下的电离平衡常数为K，N₂-H₂燃料电池工作一段时间后溶液的pH=7，则溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，根据电荷守恒可得：c（Cl^-）=c（NH₄⁺）=0.1mol/L，氨水的电离平衡常数为：K=

c(N H + 4 )?c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

0.1×1×10-7

c(NH3?H2O)

，则溶液中氨水浓度为：c（NH₃?H₂O）=

1×10-8

K

mol/L，原电池工作中生成铵根离子和氨水总的物质的量为：（0.05mol/L+

1×10-8

K

mol/L）×1L=（0.05+

1×10-8

K

）mol，氮气的化合价为0，氨水和铵根离子中氮元素的化合价为-3价，化合价降低了3价，则转移电子的物质的量为：=（0.05+

1×10-8

K

）mol×3=3×（0.05+

1×10-8

K

）mol，

故答案为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；3×（0.05+

1×10-8

K

）mol．

点评：本题考查了化学反应速率的计算、化学平衡状态的判断、化学电源新型电池的工作原理及计算，题目难度稍大，注意掌握化学反应速率、化学平衡状态的概念及判断方法，明确化学反应速率的计算方法，（4）的第二问为难点，注意利用一水合氨的电离平衡常数正确计算出氮气生成的铵根离子和一水合氨的物质的量．