Question

（12分）现在普遍应用的工业合成氨的方法是哈伯于1905年发明的，但此法反应物的转化率不高。

（1）已知1 mol N₂(g)与适量H₂(g)完全反应，当生成NH₃(g)0.1mol时，放出9.22kJ热量，写出反应的热化学方程式：                                        。

（2）若该反应在298K、398K时的化学平衡常数分别为K₁、K₂，则K₁      K₂（填“＞”  “=” 或 “＜” ）。

（3）在一定温度下，向容积不变（始终为10L）的密闭容器中加入2 mol N₂、8 mol H₂ 及固体催化剂。10分钟后反应达到平衡状态，容器内气体压强变为起始的80％，此时氨气的体积分数为           ，用氮气表示的反应速率：                   。若想提高氨气的产率，根据化学平衡移动原理，请提出合理的建议：                      （任意写一条）。

（4）在上述相同条件下，若起始时加入4 mol NH₃、2 mol H₂及固体催化剂，反应达到平衡时NH₃的体积分数比(3)中           （填“大”、“小”或“相等”）。

（5）随着对合成氨研究的发展，2001年两位希腊化学家提出了电解合成氨的方法，即在常压下把氢气和用氦气稀释的氮气，分别通入一个加热到570℃的电解池中，采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现了常压、570℃条件下高转化率的电解法合成氨（装置如右图）。在电解法合成氨的电解池中                (填“能”或“不能”) 用水作电解质溶液的溶剂，原因是               。

钯电极A是电解池的      极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是                 。

Answer

（1）N2(g)+3H2(g)  2NH3(g)   △H ＝-184.4 kJ·mol-1   (2分)

（2） > (1分)

（3）25% (2分) ；0.01mol/(L·min) (1分)；增大氢气浓度或增大氮气浓度或增大反应物浓度或降温或增大压强或及时转移走生成的氨（其它合理答案均得分）(1分)

（4）相等 (1分)

（5）不能；新法合成氨电解池的反应温度是570℃时，水为水蒸气；

阴 ； N2  + 6e－ +6H+ == 2NH3  （4分，各1分）

【解析】（1）在热化学方程式中，物质的系数表示参加该反应的各物质的物质的量：生成NH3(g)0.1mol时，放出9.22kJ热量，则生成NH3(g)2mol时，放出9.22kJ×20=184.4 kJ热量，故正确的热化学方程式为：N2(g)+3H2(g)  2NH3(g)   △H ＝-184.4 kJ·mol-1；

（2）由（1）得：△H＜0，正向为放热反应，升温平衡逆向移动，则K1>K2；

（3） N2(g)+3H2(g)  2NH3(g)

 n0    2mol  8mol        0

△n    x     3x         2x

n（平衡） 2-x  8-3x        2x

由PV=nRT，得：在恒温、恒容条件下，P1/P2=n1/n2，

即P1/（80％×P1）=（2mol+8mol）/[（2-x）+(8-3x)+2x]，求解，得：x=1 mol；

氨气的体积分数=2x/[（2-x）+(8-3x)+2x]= 25%；

用氮气表示的反应速率=（2x/10）mol·L－1÷10 min=0.01mol/(L·min)；

若想提高氨气的产率，即使平衡正向移动；

（4）N2(g)+3H2(g)  2NH3(g)

n0’ 0    2mol       4mol

与（3）的初始态相当，则（3）、（4）为“等效平衡”关系，故反应达到平衡时NH3的体积分数比(3)中相等；

（5）有图，得：向A极通入氮气，反应后生成氨气，则N由0价降低为-3价，也就是说N发生了得电子的还原反应，而发生还原反应的电极定义为阴极