Question

氮是第二周期VA族元素，形成的N₂H₄、NH₃等多种含氮化合物有着广泛的用途。回答下列问题：

(1)画出氮的核外电子排布图：___________。

(2)①肼(N₂H₄)又称联氨，常温下是一种可燃性液体，其燃烧热较大且产物对环境无污染，常用作火箭燃料。

已知：N₂(g)+O₂(g)=2NO(g) ΔH₁；

2NO(g)+O₂(g)=2NO₂(g) ΔH₂；

2N₂H₄(g)+2NO₂(g)=3N₂(g)+4H₂O(g) ΔH₃；

则反应：N₂H₄(g)+O₂(g)=N₂(g)+2H₂O ΔH=____(用含ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃的代数式表示)。

②肼—空气燃料电池是一种碱性燃料电池，产物无污染，电解质溶液是20%～30%的KOH溶液。肼—空气燃料电池放电时，负极的电极反应式是_____________；正极附近溶液的pH________(填“增大”、“减小”或“不变”)。

(3)某温度下，分别向三个体积为20 L的密闭容器中充入1 mol N₂和2.6 mol H₂分别保持恒温恒容、恒温恒压和绝热恒容，均发生反应：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g) ΔH<0。三个容器(分别用a、b、c表示)中N₂的转化率(α)与反应时间(t)的关系如图所示。

①下列表示恒容时反应已达到平衡状态的是______ (填字母)。

A. 氨气的浓度不再变化       B. v(H₂)=3v(N₂)

C. 的值不再变化D. α(N₂)=16.7%

②图中代表反应在绝热恒容容器中进行的曲线是______(填“a”“b”或“c”)。

③b容器中，M点v_正_____(填“大于”“小于”或“等于”)v_逆。

④曲线a代表的条件下该反应的平衡常数K=__________。

Answer

N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O 增大 AC c 大于 10 (L/mol)2

【解析】

(1)N是7号元素，原子核外有7个电子，根据构造原理可得N的核外电子排布图；

(2)①将已知的热化学方程式叠加，可得待求反应的热化学方程式；

②在燃料电池中，通入燃料的电极为负极，失去电子发生氧化反应，通入氧气的电极为正极，得到电子发生还原反应，根据溶液中离子浓度变化判断pH变化情况；

(3)①反应达到化学平衡时，各组分的浓度不再改变，正逆反应速率相等，据此逐项分析；

②反应为放热反应，绝热容器中，随着反应进行，体系温度升高，反应速率增大；

③b容器中，M点的平衡转化率尚未达到该条件下的平衡转化率，反应仍需正向进行；

④曲线a代表恒温恒压条件下的反应，根据方程式计算平衡体系中各组分的平衡浓度，据此计算化学平衡常数值。

(1)N是7号元素，原子核外有7个电子，根据构造原理可得N的核外电子排布式是1s22s22p3，则N原子核外电子排布图为；

(2)①(i)N2(g)+O2(g)=2NO(g) ΔH1；

(ii)2NO(g)+O2(g)=2NO2(g) ΔH2；

(iii)2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g) ΔH3；

根据盖斯定律，将，整理可得N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O ΔH=；

②在肼燃料电池中，通入燃料肼的电极为负极，肼失去电子发生氧化反应，与溶液中OH-结合形成N2和水，负极的电极反应式为：N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O；通入空气或氧气的电极为正极，正极上氧气得到电子发生还原反应，正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，可见：正极上反应消耗水，同时产生OH-，使附近溶液中c(OH-)增大，所以正极附近溶液的pH增大；

①A. 反应达到化学平衡时，各组分的浓度不再改变，则氨气的浓度不再变化，A正确；

B. 反应达到化学平衡时，用同一物质表示的正、逆反应速率相等，对于v(H2)=3v(N2)，由于未指明是正反应速率还是逆反应速率，因此不能据此判断反应是否处于平衡状态，B错误；

C. 反应达到化学平衡时，各组分的浓度不再改变，则的值不再变化，C正确；

D. 若反应在恒温恒容时，N2的平衡转化率为20%，D错误；

故合理选项是A、C；

②该反应的正反应为放热反应，在绝热容器中，随着反应进行，体系温度升高，反应速率增大，达到平衡所需时间缩短，根据图进行分析，可知表示绝热恒容容器的为曲线c；

③b容器中，M点的平衡转化率尚未达到该条件下的平衡转化率，反应仍需正向进行，所以M点的正反应速率大于逆反应速率，即v 正>v逆；

④曲线a代表恒温恒压条件下的反应，温度不变，化学平衡常数不变，在反应开始时，c(N2)=0.05 mol/L，c(H2)=0.13 mol/L，c(NH3)=0，假设N2转化浓度为x，则平衡时各种气体的浓度分别是c(N2)=(0.05-x) mol/L，c(H2)=(0.13-3x) mol/L，c(NH3)=2x mol/L，由于在恒温恒容条件下N2转化率为20%，则×100%=20%，可得x=0.01 mol，所以平衡时c(N2)=(0.05-x) mol/L=0.04 mol/L，c(H2)=(0.13-3x) mol/L=0.1 mol/L，c(NH3)=2x mol/L=0.02mol/L，故该反应的化学平衡常数为K=(L/mol)2=10(L/mol)2。