Question

（18分）研究氮的固定具有重要意义。

（1）雷雨天气中发生自然固氮后，氮元素转化为________而存在于土壤中。处于研究阶段的化学固定

新方法是N₂在催化剂表面与水发生如下反应：

2N₂(g)+6H₂O(l)=4NH₃(g)+3O₂(g)    △H      K  ①

已知：N₂(g)+3H₂(g)=2NH₃(g)    △H₁=-92.4kJ·mol^-1   K₁   ②

2H₂(g) +O₂(g) =2H₂O(l)  △H₂=-571.6kJ·mol^-1   K₂  ③

则△H =________；K=___________（用K₁和 K₂表示）。

（2）在四个容积为2L的密闭容器中，分别充入1mol N₂、3mol H₂O，在催化剂条件下进行反应①3h，实验数据见下表：

序号	第一组	第二组	第三组	第四组
t/℃	30	40	50	80
NH3生成量/（10^﹣6mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

下列能说明反应①达到平衡状态的是_____（填字母）。

a.NH₃和O₂的物质的量之比为4∶3

b.反应混合物中各组份的质量分数不变

c.单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃

d.容器内气体密度不变

若第三组反应3h后已达平衡，第三组N₂的转化率为___________；第四组反应中以NH₃表示的反应速率是__________________，与前三组相比，NH₃生成量最小的原因可能是_________________。

（3）美国化学家发明一种新型催化剂可以在常温下合成氨，将其附着在电池的正负极上实现氮的电化学固定，其装置示意图如下：

则开始阶段正极反应式为_____________；忽略电解过程中溶液体积变化，当电池中阴极区溶液pH = 7时，溶液中NH₃·H₂O的浓度为___________( K_b=2×10^-5mol·L^-1)；当电池中阴极区呈红色时，溶液中离子浓度由大到小的顺序为_________________。

Answer

（1）硝酸盐或NO3- （合理答案即给分1分） +1530kJ· mol-1（2分） K12/K23（2分） （2）bd（2 分）3×10-4%（2分） 3.33×10﹣7mol·（L·h）-1（2分）催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减 慢（1分） （3）N2+8H++6e-= 2NH4+（2分）5×10-3mol·L-1（2分）c(NH4+)＞c(Cl－)＞c(OH－)＞c(H+)（2分）

【解析】

试题分析：（1）雷雨天气中发生自然固氮反应是O2 +N22NO，生成的NO与空气中的氧气反应生成NO2，NO2溶于水转变为HNO3，所以氮元素转化为最后硝酸盐或NO3-而存在于土壤中；将②×2-③×3可得①，则△H =-92.4×2+571.6×3=+1530kJ· mol-1，根据三个式子的关系则K=K12/K23。（2）反应达到平衡状态的两个根本标志是：各物质的浓度不再变化、同种物质的消耗速率和生成速率相等。a.NH3和O2的物质的量之比为4∶3，不能说明NH3和O2的浓度不再改变，错； b.反应混合物中各组份的质量分数不变，说明各物质的质量不变，浓度也就不变，对；c.不管在任何时候单位时间内每消耗1molN2的同时生成2molNH3，不能判断是否达到了平衡，错；d. 由于H2O液态。反应没有达到平衡，气体的质量会发生改变，如果容器内气体密度不变，说明气体的消耗和生成速率相等，说明反应达到了平衡，对；选bd。根据方程式知道生成6.0×10﹣6mol的NH3要消耗3.0×10﹣6mol的N2，则N2的转化率为：（3.0×10﹣6）/1 ×100%=3×10-4%。第四组反应中生成了2.0×10﹣6mol 的NH3，则以NH3表示的反应速率是2.0×10﹣6÷2L÷3h= 3.33×10﹣7mol·（L·h）-1，第四组反应温度较高，反应时间相同但生成的NH3较少，最有可能是在该温度下催化剂的催化效果降低了，使得反应变慢了。（3）正极反应的物质得到电子化合价降低，所以N2在正极反应，由于是酸性介质生成的NH3会转变为NH4+，则电极反应为：N2 + 8H+ + 6e-= 2NH4+；由于盐酸的浓度为1mol/L,当溶液为中性的时候c(NH4+)约为1mol/L，则c(NH3·H2O)= c(NH4+)·c(OH-)/ Kb = 10-7/(2×10-5 )= 5×10-3mol·L-1。当电池中阴极区呈红色时溶液显碱性，NH3·H2O较多，所以溶液中离子浓度由大到小的顺序为c(NH4+)＞c(Cl－)＞c(OH－)＞c(H+)。

考点：反应热的计算、化学平衡状态的判断、反应速率的计算、电极反应的书写、离子浓度的计算和大小比较。