Question

（2013?日照一模）人工固氮是指将氮元素由游离态转化为化合态的过程．
I．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⁺）实验氮的固定一电解法合成氨，大大提高了氮气和氢气的转化率．
总反应式为：N₂（g）+3H₂（g）

通电

一定条件

2NH₃（g）
则在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入

阳

极（填“阴”或“阳”）；向另一电极通入N₂，该电极的反应式为

N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃

．
II．据报道，在一定条件下，N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，主要产物为NH₃，相应的反应方程式为：2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g），△H=Q．
（1）上述反应的平衡常数表达式为

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

．
（2）取五份等体积N₂和H₂O的混合气体（物质的量之比均为1：3），分别加入体积相同的恒玉密闭容器中，在温度不相同的情况下发生反应，反应相同时间后，测得氮气的体积分数φ（N₂）与反应温度T的关系曲线如图（1）所示，则上述反应的Q

＞

0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反应在有人化剂的情况下发生，则如图（2）所示的a、b、c、d四条曲线中，能表示反应体系能量变化的是

d

（选填字母代号），图（2）中△H的绝对值为1530kJ?mol^-1．
III．目前工业合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1．
回答下列问题：
（1）结合II中的数据，则：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）的△H=

-570kJ?mol^-1

．

（2）在一定温度下，将1mol N₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol．
①达平衡时，H₂的转化率α₁=

60%

．
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为α₂，当α₁+α₂=1时，则起始时NH₃的物质的量n（NH₃）

2

mol．

Answer 1

分析：Ⅰ．在电解池中，阳极上发生失电子的氧化反应，阴极上发生得电子的还原反应，根据电解的总反应来书写电极反应；
Ⅱ．（1）平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积；
（2）曲线的变化先增大后变小．我们知道温度升高反应速率加快．在此题中，反应相同时间，低温下的两点是未达到平衡的两点，随温度的升高，氮气的体积分数随温度升高而变大，曲线的最高点是某温度下达到平衡的点，之后的两点，皆是平衡后的氮气的体积分数，且随温度升高而降低，则生成氨气的反应是吸热反应，即此反应的正反应为吸热反应；
（3）根据（2）的结论，反应是吸热反应，应从c、d曲线中找答案，使用催化剂可以降低反应的活化能；
Ⅲ．（1）根据盖斯定律求出目标反应方程式，求出反应热；
（2）根据差量法求出参加反应的H₂，然后求出转化率；
（3）根据题意可以判断出是从正逆两个方向建立的平衡，由此推断出起始时NH₃的物质的量为2mol．

解答：解：Ⅰ．跟据总反应式：N₂+3H₂

通电

一定条件

2NH₃，氢气发生失电子的氧化反应，则在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入阳极，在另一电极通入N₂，发生得电子的还原反应，即N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
故答案为：阳；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）上述反应的平衡常数表达式为：K=

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

，故答案为：

c4(NH3)?c3(O2)

c2(N2)?c6(H2O)

；
（2）曲线的变化先增大后变小．我们知道温度升高反应速率加快．在此题中，反应相同时间，低温下的两点是未达到平衡的两点，随温度的升高，氮气的体积分数随温度升高而变大，曲线的最高点是某温度下达到平衡的点，之后的两点，皆是平衡后的氮气的体积分数，且随温度升高而降低，则生成氨气的反应是放热反应，即此反应的正反应为吸热反应，即△H＞0，故答案为：＞；
（3）根据（2）的结论，反应是吸热反应，应从c、d曲线中找答案，使用催化剂可以降低反应的活化能，因此应该选d；
故答案为：d；
Ⅲ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=-1530kJ?mol^-1 ①
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1 ②
②×

2

3

-①×

1

3

，得：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=2/3×（-93 kJ?mol^-1）-1/3×（-1530 kJ?mol^-1）=-570kJ?mol^-1；
故答案为：-570kJ?mol^-1；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△n
         1       3          2        2
                1.8mol          （4-2.8）mol
 H₂的转化率α₁为转化率为

1.8mol

3mol

×100%=60%；
故答案为：60%；
②根据题意可以判断出是从正逆两个方向建立的平衡，由此推断出起始时NH₃的物质的量为2mol，所以起始时NH₃的物质的量2mol，故答案为：2．

点评：本题以人工固氮为载体来考查化学反应原理中的电化学、化学反应的热效应、化学反应的限度（平衡态的建立、转化率、化学平衡与反应热），难度中等．