Question

1905年哈珀开发实现了以氮气和氢气为原料合成氨气，生产的氨制造氮肥服务于农业，养活了地球三分之一的人口，哈珀也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖。

(1)工业合成氨的反应如下：N₂+3H₂2NH₃。已知断裂1 mol N₂中的共价键吸收的能量为946 kJ，断裂1 mol H₂中的共价键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol N-H键放出的能量为391 kJ，则由N₂和H₂生成2 mol NH₃ 的能量变化为__________kJ。 下图能正确表示该反应中能量变化的是__________(填“A”或“B”)。

   

(2)反应2NH₃(g)N₂(g)+3H₂(g)在三种不同条件下进行，N₂、H₂的起始浓度为 0，反应物NH₃的浓度(mol/L)随时间(min)的变化情况如下表所示。

实验序号		0	10	20	30	40	50	60
①	400℃	1.0	0.80	0.67	0.57	0.50	0.50	0.50
②	400℃	1.0	0.60	0.50	0.50	0.50	0.50	0.50
③	500℃	1.0	0.40	0.25	0.20	0.20	0.20	0.20

根据上述数据回答：实验①②中，有一个实验使用了催化剂，它是实验_____(填序号)；实验①③对比说明了_________________________________。在恒温恒容条件下，判断该反应达到化学平衡状态的标志是_________(填序号)。

a. NH₃的正反应速率等于逆反应速率    b.混合气体的密度不变

c.混合气体的压强不变                            d.c(NH₃)=c(H₂)

(3)近日美国犹他大学 Minteer教授成功构筑了H₂—N₂生物燃料电池。该电池类似燃料电池原理，以氮气和氢气为原料、氢化酶和固氮酶为两极催化剂、质子交换膜(能够传递H⁺)为隔膜，在室温条件下即实现了氨的合成同时还能提供电能。则A电极为_____极(填“正”、“负”)，该电池放电时溶液中的H⁺向______极移动(填“A”、“B”)。

Answer

92 A ② 升高温度，反应速率加快，反应进行程度加大 ac 负 B

【解析】

(1)反应热等于断裂反应物化学键吸收总能量与形成生成物化学键释放的总能量的差；放热反应中反应物的能量比生成物的高；吸热反应中反应物的能量比生成物的低，据此判断；

(2)根据催化剂可加快反应速率分析判断；根据实验①③不同点分析判断二者的区别，并判断该反应条件的影响；反应达到平衡时，任何物质的浓度不变、质量不变，物质的含量不变，据此判断平衡状态；

(3)根据原电池反应中，负极失去电子，发生氧化反应；正极得到电子发生还原反应，结合反应中反应中元素化合价变化分析判断，阳离子向负电荷较多的电极移动。

(1)该反应的反应热△H=946 kJ/mol+3×436 kJ-6×391 kJ/mol=-92 kJ/mol，所以由N2和H2生成2 mol NH3 的能量放出92 kJ的热量；该反应发生放出热量，说明反应物的总能量比生成物的总能量高，因此能正确表示该反应中能量变化的图示是A；

(2)实验①②的反应温度相同，反应开始时各种物质的浓度也相同，若其中一个使用的催化剂，由于催化剂能够加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，因此可以在较短时间内达到平衡，根据表格数据可知实验②反应速率快，则该实验②中使用了催化剂；

实验①③反应开始时只有温度不同，其它外界条件都相同，说明改变的条件是温度。在其它条件不变时，升高温度，反应速率加快，先达到平衡，升高温度，达到平衡时NH3的浓度更低，说明升高温度，有更多NH3分解产生N2、H2，化学反应进行的程度更大；

a．NH3的正反应速率等于逆反应速率 ，则NH3的浓度不变，反应处于平衡状态，a正确；

b．反应混合物都是气体，气体的质量始终不变，且反应在恒容密闭容器中进行，气体的体积也不变，因此混合气体的密度始终不变，不能据此判断反应是否处于平衡状态，b错误；

c．该反应是反应前后气体体积改变的反应，若混合气体的压强不变，说明各种物质的物质的量不变，反应达到平衡状态，c正确；

d．c(NH3)=c(H2)时反应可能处于平衡状态，也可能未达到平衡，这与反应条件及开始时加入物质的多少有关，不能据此判断反应是否处于平衡状态，d错误；

故合理选项是ac；

(3)在反应N2+3H22NH3中，N2得到电子，发生还原反应；H2失去电子发生氧化反应。根据图示可知：A电极通入H2，失去电子发生氧化反应产生H+，所以A电极为负极，N2在B电极得到电子，被还原产生NH3，所以B电极为正极。电子由负极经外电路流向正极，正极上负电荷较多，则该电池放电时溶液中的H+向负电荷较多的正极B移动，即H+由A电极区向B电极区域移动。