Question

人工固氮是指將氮元素由游離態轉化為化合態的過程。
I.最近一些科學家研究采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定一電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉化率。總反應式為：N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)，則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入_________極（填“陰”或“陽”） ；向另一電極通入N₂，該電極的反應式為__________________________。
II.據報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發生反應，主要產物為NH₃，相應的反應方程式為：2N₂(g)＋6H₂O(g)4NH₃(g)＋3O₂(g)  △H＝Q。
（1）上述反應的平衡常數表達式為_______________。
（2）取五份等體積N₂和H₂O的混合氣體（物質的量之比均為1：3），分別加入體積相同的恒容密閉容器中，在溫度不相同的情況下發生反應，反應相同時間后，測得氮氣的體積分數與反應溫度T的關系曲線如圖所示，則上述反應的Q________0（填“＞”、“＜”或“=”）。

（3）若上述反應在有催化劑的情況下發生，則下圖所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應體系能量變化的是_______（選填字母代號），圖中△H的絕對值為1530kJ·mol^-1。

III.目前工業合成氨的原理是：N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)   △H＝－93.0kJ/mol。
回答下列問題：
（1）結合II中的數據，則O₂(g)＋2H₂(g)＝2H₂O(g)的△H＝______________。
（2）在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發生反應，達到平衡狀態時，測得氣體總物質的量為2.8mol。
①達平衡時，H₂的轉化率α₁＝______________。
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態時NH₃的轉化率為α₂，當α₁＋α₂＝1時，則起始時NH₃的物質的量n(NH₃)＝_____________mol。

Answer 1

Ⅰ. 陽（1分）    N₂＋6H^＋＋6e^－===2NH₃ （2分）
Ⅱ.（1）K＝（2分）（2）＞（2分）  （3）d（2分）
Ⅲ. （1）－572.0 kJ·mol^－1（2分，單位不寫不給分）  （2）①60%（2分）   ②2（1分）

試題分析：Ⅰ.電解池中陽極失去電子發生氧化反應，陰極得到電子，發生還原反應。所以從總反應可以判斷出H₂是被氧化，應該在陽極通入，N₂在陰極發生還原反應，在陰極通入，電極反應式是N₂+ 6H⁺+6e^-＝2NH₃。
Ⅱ.（1）化學平衡常數是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，所以根據反應方程式可知，該反應的平衡常數的表達式K＝。
（2）曲線是在相同時間內氮氣的體積分數隨溫度變化的關系，曲線的變化先增大后變小。溫度升高反應速率加快。在此題中，反應相同時間，低溫下的兩點是未達到平衡的兩點，隨溫度的升高，氮氣的體積分數隨溫度升高而變大。曲線的最高點是某溫度下達到平衡的點，之后的兩點，均是平衡后的氮氣的體積分數，且隨溫度升高而降低，這說明升高溫度平衡向正方應方向移動，因此生成氮氣的反應是放熱反應，即此反應的正反應為吸熱反應。
（3）根據（2）的結論，反應是吸熱反應，應從c、d曲線中找答案。使用催化劑可以降低反應的活化能，因此應該選d。
Ⅲ.（1）反應①N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)和反應②2N₂(g)＋6H₂O(g)4NH₃(g)＋3O₂(g)并依據則根據蓋斯定律可知，①×－②×即得到反應O₂(g)＋2H₂(g)＝2H₂O(g)，所以該反應的反應熱△H＝2/3×（－93 kJ·mol^－1）－1/3×1530 kJ·mol^－1＝－572 kJ·mol^－1。
（2）①由N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)可知，4mol的反應物完全反應，總物質的量減小2mol。因此當減少（4－2.8）mol＝1.2mol時，參加反應的H₂為1.8mol，所以氫氣的轉化率為×100%＝60﹪。
②設氨氣的物質的量是x。α₁＋α₂＝1，所以α₂＝40%。平衡時氨氣的物質的量是1.2mol，所以消耗氨氣是x－1.2mol，則x×40%＝x－1.2mol，解得x＝2.0mol。