Question

能源是现代文明的原动力，通过化学方法可以使能量按人们所期望的形式转化，从而开辟新能源和提高能源的利用率，请回答下列问题。

(1)工业合成氨反应：N₂+3H₂ 2NH₃是放热的可逆反应，反应条件是高温、高压，并且需要合适的催化剂。已知1 mol N₂完全反应生成NH₃可放出92 kJ热量。如果将10 mol N₂和足量H₂混合，使其充分反应，放出的热量________(填“大于”、“小于”或“等于”)920kJ。

(2)实验室模拟工业合成氨时，在容积为2 L的密闭容器内，反应经过10 min后，生成10 mol NH₃

①则用N₂表示的化学反应速率为__________________。

②一定条件下，当该反应进行到最大限度时，下列说法正确的是______(填编号)

a.N₂的转化率达到最大值

b.N₂、H₂和NH₃的体积分数之比为1 : 3 : 2

c.体系内气体的密度保持不变      

d.体系内物质的平均相对分子质量保持不变

(3)某实验小组同学进行如下图所示实验，以检验化学反应中的能量变化。请根据你掌握的反应原理判断，②中的温度_______(填“升高”或“降低”)。反应过程____(填“①”或“②”)的能量变化可用图表示。

(4)用CH₄和O₂组合形成的质子交换膜燃料电池的结构如图：

①则d电极是____(填“正极” 或“负极”)，c电极的电极反应式为_____________________________。

②若线路中转移2 mol电子，则该燃料电池理论上消耗的O₂在标准状况下的体积为______L。

Answer

小于 0.25mol/(L·min) ad 降低 ① 正极 CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+ 11.2

【解析】

（1）依据合成氨的反应是可逆反应作答；

（2）①根据，结合反应速率之比等于系数之比求算；

②化学平衡状态是正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变的状态，反应达到最大限度，据此分析；

（3）Al与盐酸反应放出热量，Ba（OH）2•8H2O与NH4Cl反应吸收热量，图2中反应物总能量大于生成物总能量，为放热反应；

（4）①依据原电池工作图中电子流出的方向判断正负极；

②根据电极反应式列出关系式计算氧气的消耗量；

（1）合成氨是可逆反应,反应物不能完全转化，所以将10 mol N2和足量H2混合，使其充分反应，放出的热量小于920kJ；

（2）①，又因为化学反应中，各物质表示的反应速率之比等于其系数之比，则v(N2)=v(NH3)= ×0.5mol/(L⋅min) = 0.25mol/(L⋅min)，

故答案为0.25mol/(L⋅min)；

②a.N2的转化率达到最大值，则说明反应达到平衡状态，a项正确；

b. N2、H2和NH3的体积分数之比为1 : 3 : 2，不能说明各物质的浓度保持不变，无法说明反应达到平衡状态，b项错误；

c.体系内气体的总质量保持不变，总体积保持不变，则气体的密度始终保持不变，因此密度不变不能说明反应达到平衡状态，c项错误；

d. 因反应是气体分子数减小的体系，体系内气体的总质量保持不变，若物质的平均相对分子质量保持不变时，则气体的总物质的量保持不变，可说明反应达到平衡状态，d项正确；

故答案选ad；

（3）Ba（OH）2•8H2O与NH4Cl反应吸收热量，则反应后②中的温度降低；Al与盐酸反应放出热量，又从图中能量变化图可以看出，反应物的总能量高于生成物的总能量，则可表示反应①的能量变化；

（4）①因c是电子流出的一极，则c为负极，d为正极，甲烷具有还原性，在负极上发生氧化反应生成CO2，电极反应式为：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+，故答案为正极；CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

②原电池中正极电极反应为2O2+8H++8e-=4H2O，当转移2mol电子时，则消耗氧气物质的量为0.5mol，体积为0.5mol×22.4L/mol=11.2 L。