Question

氨是一种重要的化工原料，广泛应用于化肥、制药、合成纤维等领域。回答下列问题：

(1)研究工业合成氨N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)  △H＜0反应原理。在2L密闭容器中加入0.1 mol N₂和0.3 mol H₂，在不同条件下进行实验。实验I、II、III中c(N₂)随时间(t)的变化如图所示。

①下列叙述能证明合成氨反应达到化学平衡状态的是_____(填字母)。

a N₂和NH₃浓度相等                b NH₃百分含量保持不变

c 容器中混合气体的密度保持不变     d 2v_正(H₂)＝3v_逆(NH₃)

②从开始到达到平衡状态的过程中，实验I用H₂表示的平均反应速率为______；实验II N₂的平衡转化率为______。

③与实验II相比，实验III所采用的实验条件可能为_______(填字母)。

a 使用催化剂   b 升高温度   c 降低温度   d 增大压强   e 减小压强

(2)科研工作者成功实现利用太阳能合成氨，其简易装置如图所示。

①写出装置阴极的电极反应式_______________。

②装置工作时电解质溶液中的H^＋向___(填写“a”或“b”)极区移动；工作一段时间后，a极区与b极区产生气体的物质的量之比为_______。

Answer

bd 0.024mol∙L-1∙min-1 40% b N2+6e-+6H+=2NH3 b 3:4

【解析】

(1)根据平衡状态的特征以及利用体系中变量变为不变量即说明反应达到平衡状态分析判断；

②根据图像，计算实验I中 v(N2)，根据反应速率之比等于化学计量系数之比计算v(H2)；N2的平衡转化率为×100%；

③与实验II相比，实验III的先达到平衡，反应速率比实验II快，但N2的含量增大，说明平衡逆向进行的程度较大，据此逐项分析。

(2)根据图示，该装置为电解池，利用光伏电池，将太阳能转化为电能，再利用光伏电池电解合成氨，结合图示b电极上N2转化为氨气，氮元素化合价降低，得电子，发生还原反应，b为阴极，电极反应为N2+6e-+6H+=2NH3，a为阳极，阳极上水失去电子转化为氧气和氢离子，电极反应为2H2O-4e-= 4H++O2↑，据此分析解答。

(1)a．N2和NH3浓度相等，不能说明体系中各组分的含量保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故a不符合题意；

b．NH3百分含量保持不变，则体系内其他各组分的百分含量也保持不变，体系正逆反应速率相等，能说明反应达到平衡状态，故b符合题意；

c．容器中气体的总质量保持不变，容器的体积不变，混合气体的密度始终保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故c不符合题意；

d．2v正(H2)＝3v逆(NH3)，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故d符合题意；

答案选bd；

②实验I中，5min达到平衡状态，N2的浓度变化量为(0.1-0.06) mol/L =0.04mol/L，v(N2)==0.008mol∙L-1∙min-1，反应速率之比等于化学计量系数之比，则v(H2)=3v(N2)=3×0.008mol∙L-1∙min-1=0.024mol∙L-1∙min-1；实验II中，N2的浓度变化量为(0.1-0.06) mol/L =0.04mol/L，N2的平衡转化率为×100%=40%；

③与实验II相比，实验III的先达到平衡，反应速率比实验II快，但N2的含量增大，说明平衡逆向进行的程度较大，

a．使用催化剂反应速率加快，但平衡不移动，N2的含量不变，故a不符合题意；

b．该反应放热，升高温度，反应速率加快，平衡逆向移动，N2的含量增大，故b不符合题意；

c．降低温度，反应速率减慢，与题意不符，故c不符合题意；

d．该反应正向为气体分子数减小的体系，增大压强，反应速率加快，平衡正向移动，N2的含量减小，故d不符合题意；

e．减小压强，反应速率减慢，与题意不符，故e不符合题意；

答案选b；

(2)①根据分析，装置阴极的电极反应式N2+6e-+6H+=2NH3；

②电解池中，阳离子向阴极移动，根据分析已知b为阴极，则装置工作时电解质溶液中的H＋向b极区移动；工作一段时间后，a极区的电极反应为2H2O-4e-= 4H++O2↑，b极区的电极反应为N2+6e-+6H+=2NH3，当电路中转移12mol电子时，a极区产生3mol氧气，b极区产生4mol氨气，则a极区与b极区产生气体的物质的量之比为3:4。