Question

【題目】氮的固定是幾百年來科學家一直研究的課題。請回答下列問題：

(1)下表列舉了不同溫度下大氣固氮和工業固氮的部分K值。

反應	大氣固氮 N2 (g)+O2 (g)2NO(g)		工業固氮 N2 (g)+3H2 (g)2NH3(g)
溫度/℃	27	2000	25	400	450
K	3.84×10－31	0.1	5×108	0.507	0.152

①分析數據可知：大氣固氮反應屬于 ________(填“吸熱”或“放熱”)反應。

②分析數據可知：人類不適合大規模模擬大氣固氮的原因是 ________。

③從平衡視角考慮，工業固氮應該選擇常溫條件，但實際工業生產卻選擇500℃左右的高溫，解釋其原因 ________。

(2)已知工業固氮反應：N2（g）+ 3H2（g）2NH3（g）ΔH ＝－94.4kJ·mol－1，恒容時，體系中各物質濃度隨時間變化的曲線如圖1所示，各時間段最終均達平衡狀態。

①在2L容器中發生反應，前20min內，ν(NH3) ＝ ________。

②25 min時采取的某種措施是 ________。

③時段III條件下反應的平衡常數為 ________ L2· mol－2(保留3位有效數字) 。

(3)20世紀末，科學家采用高質子導電性的SCY陶瓷(能傳遞H+)為介質，用吸附在它內外表面上的金屬鈀多晶薄膜做電極，實現高溫常壓下的電解法合成氨，提高了反應物的轉化率，其實驗簡圖如圖2所示，陰極的電極反應式是 ________。

(4)近年，又有科學家提出在常溫、常壓、催化劑等條件下合成氨氣的新思路，反應原理為：2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)，則其反應熱ΔH ＝ ________。已知：N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH1 ＝－92.4kJ·mol－1 2H2(g) +O2(g)2H2O(l) ΔH2 ＝－571.6kJ·mol－1

Answer 1

【答案】吸熱 K值小，正向進行的程度小（或轉化率低），不適合大規模生產 從反應速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適 0.050（或0.05）mol/（L·min） 將NH3從反應體系中分離出去 2.37 N2+6e-+6H+=2NH3 +1530.0 kJ·mol－1

【解析】

（1）①溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移；
②K值很小，轉化率很小；

③從影響化學反應速率與化學平衡的角度即經濟效益分析實際操作問題；
（2）①根據ν= 計算出前20min內氨氣的平均反應速率ν(NH3)；
②根據25min時氨氣的物質的量變為0，而氮氣和氫氣的物質的量不變進行解答，改變的條件是分離出氨氣；
③根據時段Ⅲ條件下達到平衡時各組分的濃度及平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積進行解答；

（3）氮氣在陰極得電子生成氨氣；

（4）已知：①N2（g）+3H2（g）2NH3（g）△H=-92.4kJmol-1，
②2H2（g）+O2（g）2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1，
由蓋斯定律：①×2-②×3得2N2（g）+6H2O（l）4NH3（g）+3O2（g），據此分析。

（1）①由表格數據可知，溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移，則正反應方向為吸熱反應，

故答案為：吸熱；

②由表格數據可知，2000℃時，K=0.1，K值很小，則轉化率很小，不適合大規模生產，所以人類不適合大規模模擬大氣固氮，

故答案為：K值小，正向進行的程度小(或轉化率低)，不適合大規模生產；

③結合表格可以看出，工業固氮的反應平衡常數隨著溫度的升高而降低，為放熱反應，但溫度升高，化學反應速率會增大，但催化劑也受溫度影響，有適當的溫度下活性最大，綜合考慮，可選擇溫度為500℃左右合適，其原因可解釋為：從反應速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適，

故答案為：從反應速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適；

（2）①根據圖象可知，20min時氨氣的物質的量濃度為1.00 mol/L，所以氨氣的平均反應速率為：ν(NH3) = = = 0.050（或0.05）mol/（L·min）

故答案為：0.050（或0.05）mol/（L·min）；

②25 min時氨氣的物質的量迅速變為0而氮氣、氫氣的物質的量不變,之后氮氣、氫氣的物質的量逐漸減小，氨氣的物質的量逐漸增大，說明25 min時改變的條件是將NH3從反應體系中分離出去，

故答案為：將NH3從反應體系中分離出去；

③時段Ⅲ條件下，其反應為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，圖象方向可知平衡狀態下c(N2) = 0.25 mol/L，c(NH3) = 0.50 mol/L，c(H2) = 0.75 mol/L，則該反應的化學平衡常數為：K= = = 2.37

故答案為：2.37；

(3)電解池中氮氣在陰極得電子生成氨氣，其電極方程式為：N2+6e-+6H+=2NH3，

故答案為：N2+6e-+6H+=2NH3；

(4)已知：①N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH1 ＝－92.4 kJ·mol－1，

②2H2(g) +O2(g)2H2O(l) ΔH2 ＝－571.6 kJ·mol－1，

由蓋斯定律：①×2②×3得2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)，則△H=(92.4 kJml1)×2(571.6 kJmol1)×3 = + 1530.0 kJmol1；

故答案為：+ 1530.0 kJmol1。