Question

氮的固定意义重大，氮肥的使用大面积提高了粮食产量。人工固氮最有效的方法是合成氦，一种工业合成氨的简易流程如图所示(净化、后期处理等流程未列出)：

回答下列问题：

Ⅰ.步骤A制氢气的原理之一是CH₄(g)+2H₂O(g)⇌CO₂(g)+4H₂(g)    ∆H=a kJ/mol

(1)已知：H₂、CH₄的燃烧热分别为285.8kJ/mol、890.31k/mol；H₂O(g)⇌H₂O(l) ∆H=-44kJ/mol则a=____kJ/mol。

(2)在密闭容器中，既能加快反应速率，又一定能提高平衡体系中H₂体积分数的措施是_____(填序号)。

a.加入催化剂         b.升高温度        c.降低压强        d.增大c(H₂O)

Ⅱ.步骤B完成了原料气准备后，通过步骤C合成氨，其原理为N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g) ∆H=-92.4kJ/mol。

(3)若T℃下，向一个容积为2L的真空密闭容器中(有催化剂)通入lmol N₂、3mol H₂，1分钟后达到化学平衡状态，测得容器内的压强是开始时的0.8倍。则：

①下列叙述可说明该反应已经达到化学平衡状态的是______(填序号)。

a.3v(H₂)_正=2v(NH₃)_逆                 b.混合气体的平均相对分子质量不再发生改变

c.混合气体的密度不再发生改变     d. 1个N≡N键断裂的同时有3个H—H键生成

②t分钟内v(H₂)=_______。

③T℃下该反应的K=___________(列出计算式即可)。

④一定条件下，向体积相同的甲(含催化剂)、乙两个容器中分别充入等物质的量的N₂和等物质的量的H₂进行合成氨反应，均反应1小时、测得N₂的转化率随温度变化如图所示，a、b、c三点中达到化学平衡状态的点有_________，乙装置中N₂转化率随着温度的升高先升后降的原因可能是______。

(4)我国科学家成功研制出一种高效电催化固氮催化剂Mo₂N，其固氮原理如图所示，该装置中，阴极上的电极反应式为______。

Answer

+164.89 b bd mol/(L·min) ac 因合成氨反应的∆H＜0，随温度升高N2的转化率应降低，但c点之前N2转化率增大，说明反应未达平衡状态，c点后为随温度升高平衡逆向移动的结果 N2+6H++6e－=2NH3

【解析】

(1)因为 ①H2(g)+O2(g)=H2O(l) ∆H=-285.8kJ/mol，②CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+2H2O(l) ∆H=-890.31k/mol，③H2O(g)⇌H2O(l) ∆H=-44kJ/mol，根据盖斯定律②-①4+③2得：CH4(g)+2H2O(g)⇌ CO2(g)+4H2(g) ∆H=+164.89kJ/mol，故答案：+164.89；

(2)根据CH4(g)+2H2O(g)⇌CO2(g)+4H2(g) ∆H=+164.89 kJ/mol，在密闭容器中进行的反应：

a.加入催化剂不会改变化学平衡移动，故a 不符合题意；

b.升高温度既能加快反应速率，又能使平衡向着吸热方向移动，即提高了平衡体系中H2体积分数，故b 符合题意；

c.降低压强反应速率 减慢，故c不符合题意；

d.增大c(H2O)，没有注明状态，无法判断，故d不符合题意；

故答案：b。

(3)①a.根据N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ∆H=-92.4kJ/mol反应，若T℃下2v(H2)正=3v(NH3)逆说明该反应已经达到化学平衡状态，故a不符合题意；

b.混合气体的平均相对分子质量数值等于摩尔质量=，气体的总质量是个定值，而反应前后化学计量数不等，所以当混合气体的平均相对分子质量不再发生改变，说明该反应已经达到化学平衡状态，故b符合题意；

c.混合气体的密度=，因为体积一定，气体的质量不变，所以混合气体的密度是定值，故混合气体的密度不再发生改变，不说明该反应已经达到化学平衡状态，故c不符合题意；

d. 1个N≡N键断裂说明反应正向进行，同时有3个H—H键生成说明反应逆向进行，且正逆反应速率相等，故1个N≡N键断裂的同时有3个H—H键生成可以证明该反应已经达到化学平衡状态，故d符合题意；

故答案：bd。

②若T℃下根据反应可知

根据阿伏加德罗定律：=,即=，解得x=0.4，所以 t分钟内v(H2)==mol/(L·min)；

③T℃下该反应的平衡常数K==；

④由图像可知，a点随温度的升高，N2的转化率应降低，说明平衡逆向移，所以a点是反应达到平衡点；因合成氨反应的∆H＜0，随温度升高N2的转化率应降低，但c点之前乙装置中 N2转化率增大，说明反应未达平衡状态，c点后为随温度升高平衡逆向移动和正向移动的交点，所以c点是达到平衡的点，故答案：ac；因合成氨反应的∆H＜0，随温度升高N2的转化率应降低，但c点之前乙装置中 N2转化率增大，说明反应未达平衡状态，c点后为随温度升高平衡逆向移动的结果；

(4)由装置图进料口可知：充入N2的一端为阴极，得电子发生还原反应，电解质溶液为稀盐酸，所以阴极上的电极反应式为N2+6H++6e－=2NH3，故答案：N2+6H++6e－=2NH3。