Question

氮及其化合物在工农业生产和生命活动中起着重要作用。

(1)氨气是一种重要的化工原料，氨态氮肥是常用的肥料。

哈伯法合成氨技术的相关反应为:N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)   △H=-93kJ/mol，实际生产中，常用工艺条件：Fe作催化剂，控制温度773K、压强3.0×10⁷Pa，原料气中N₂和H₂物质的量之比为1：2.8。

①合成氨技术是氮的固定的一种，属于______(选填“大气固氮”、“生物固氮”“人工固氮”)。

②合成氨反应常用铁触媒催化剂，下列关于催化剂的说法不正确的是_________。

A.可以加快反应速率           B.可以改变反应热

C.可以减少反应中的能耗      D.可以增加活化分子的数目

③关于合成氨工艺的下列理解，正确的是_________。

A.原料气中N₂过量，是因N₂相对易得，适度过量有利于提高H₂的转化率

B.控制温度(773K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率

C.当温度、压强一定时，在原料气(N₂和H₂的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率

D.分离空气可得N₂，通过天然气和水蒸气转化可得H₂，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生

(2)肼(N₂H₄)是氮的氢化物之一，其制备方法可用次氯酸钠氧化过量的氨气。

①次氯酸钠溶液显碱性，表示原理的离子方程式是_________________________。

②常温下，该水解反应的平衡常数为K=1.0×10^-6mol/L，则1.0mol/LNaClO溶液的pH=____。

③肼与N₂O₄氧化反应生成N₂和水蒸气。

已知：N₂(g)+2O₂(g)=N₂O₄(l)   △H=-19.5kJ/mol

N₂H₄(l)+O₂(g)=N₂(g)+2H₂O(g)   △H=-534.2kJ/mol

请写出肼和N₂O₄反应的热化学反应方程式_________________________________。

(3)在NH₄HCO₃溶液中，反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂ONH₃·H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=_____。(已知常温下NH₃·H₂O的电离平衡常数K_b=2×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K_a1=4×10^-7)。

Answer

人工固氮 BC AD ClO-+H2OHClO+OH- 11 2N2H4(l)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1048.9kJ/mol 1.25×103

【解析】

(1)①由氮元素的单质变为氮的化合物的过程为氮的固定，可根据氮固定形式判断固定方式；

②催化剂可降低反应的活化能，提高活化分子百分数，加快化学反应速率但不能使反应平衡发生移动；

③根据合成氨气的反应是气体体积减小的放热反应，从化学反应速率和化学平衡移动角度分析外界条件对合成氨气反应的影响；

(2)①根据次氯酸钠是强碱弱酸盐，利用盐的水解规律分析；

②根据水解平衡常数的含义计算溶液中c(OH-)，然后利用水的离子积计算c(H+)再根据pH=-lg(H+)计算pH；

③根据盖斯定律，将两个热化学方程式叠加，可得相应的热化学方程式；

(3)根据水解平衡常数的表达式与Kb、Ka1和水的离子积的关系计算。

(1)①N2与H2在催化剂存在时，在高温、高压条件下发生反应产生NH3，该反应属于氮的固定，是人工固氮；

②A.铁触媒是合成氨气的催化剂，由于降低了反应的活化能，使更多的分子变为活化分子，活化分子数增加，反应速率加快，A正确；

B.催化剂可以改变反应途径，但不能改变物质的始态和终态，因此不可以改变反应热，B错误；

C.由于催化剂不能改变物质的始态和终态，因此不能改变反应过程的能量变化，所以不能减少反应中的能耗，C错误；

D.由于催化剂可降低反应的活化能，使更多的普通分子变为活化分子，所以可以增加活化分子的数目，D正确；

故合理选项是BC；

③A.合成氨气中N2、H2反应的物质的量的比是1：3，加入的原料气中N2和H2物质的量之比为1：2.8，N2过量，是因N2相对易得，适度过量可以加快反应速率，由于增大了一种反应物的浓度，可以使化学平衡正向移动，从而可以使其它反应物的转化率提高，从而可提高H2的转化率，A正确；

B.控制温度(773K)远高于室温，主要是因为在此温度下催化剂的活性最大，由于该反应的正反应是放热反应，所以升高温度，化学平衡逆向移动，反应物平衡转化率降低，B错误；

C.当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，由于不能改变任何一种反应物的浓度，因此对物质平衡转化率无影响，C错误；

D.空气的主要成分是N2、O2，分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气N2、H2必须经过净化处理，以防止催化剂中毒导致失去催化活性及发生安全事故发生，D正确；

故合理选项是AD；

(2)①次氯酸钠是强碱弱酸盐，在溶液中ClO-会发生水解反应：ClO-+H2OHClO+OH-，最终达到平衡时，溶液中c(OH-)>c(H+)，所以溶液显碱性；

②ClO-的水解平衡常数K==1.0×10-6mol/L，c2(OH-)=1.0mol/L×1.0×10-6mol/L=1.0×10-6mol2/L2，所以c(OH-)=1.0×10-3mol/L，则c(H+)==1.0×10-11mol/L，所以溶液的pH=11；

③(i)N2(g)+2O2(g)=N2O4(l) △H=-19.5kJ/mol

(ii)N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534.2kJ/mol

(ii)×2-(i)，整理可得2N2H4(l)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1048.9kJ/mol

(3)反应NH4++HCO3-+H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常数K==1.25×10-3。