Question

（16分）氨是一種重要的化工原料，氨的合成和應用是當前的重要研究內容之一。
(1)一定條件下，在一個密閉容器中充入氣體：N₂ 2mol、H₂ 6mol，達平衡后N₂的轉化率為50%，同時放熱92.3KJ。該反應的熱化學方程式為：______________________________。
(2)傳統哈伯法合成氨工藝中相關的反應式為：N₂+3H₂2NH₃。
①該反應的平衡常數K的表達式為：K=______________。升高溫度，K值______（填“增大”“減小”或“不變”）。
②不同溫度、壓強下，合成氨平衡體系中NH₃的物質的量分數見下表（N₂和H₂的起始物質的量之比為1∶3）。分析表中數據，                   （填溫度和壓強）。時H₂轉化率最高，實際工業生產中不選用該條件的主要原因是              。

③下列關于合成氨說法正確是              （填字母）
A．使用催化劑可以提高氮氣的轉化率
B．尋找常溫下的合適催化劑是未來研究的方向
C．由于ΔH<0、ΔS>0，故合成氨反應一定能自發進行
(3)最近美國Simons等科學家發明了不必使氨先裂化為氫就可直接用于燃料電池的方法。其裝置為用鉑黑作為電極，加入電解質溶液中，一個電極通入空氣，另一電極通入氨氣。其電池反應為4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，你認為電解質溶液應顯       性(填“酸性”、“中性"、“堿性”)，寫出負極電極反應式                   。
(4)工業上凈化處理鉻污染方法之一是：將含K₂Cr₂O₇酸性廢水放入電解槽內，加入適量的NaCl，以Fe和石墨為電極進行電解。經過一段時間后，生成Cr(OH)₃和Fe(OH)₃沉淀除去（已知K_sp[Fe(OH)₃]=4.0×10^-38，K_sp[Cr(OH)₃]=6.0×10^-31）。
已知電解后的溶液中c(Fe³⁺)為2.0×10^-13mol/L，則溶液中c(Cr³⁺)為      mol/L。

Answer 1

(1) N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）；⊿H= -92.3KJ/mol。（2分）
（2）①K=（1分）減小（1分）②200℃、100MPa（2分）
壓強太高生產設備條件難以實現（2分） ③B（2分）
（3）堿性（2分）  2NH₃-6e^- +6OH^-=N₂+3H₂O（2分）
（4）3×10^－6 (2)分

（1）消耗氮氣的量是2mol×50％＝1mol，故熱化學方程式為N₂（g）+3H₂（g）
=2NH₃（g）；⊿H= -92.3KJ/mol。
（2）平衡常數是知在一定條件下可逆反應達到平衡時生成物濃度的冪之積和反應物濃
度的冪之積的比值。正反應放熱，升高溫度平衡向逆反應方向移動，平衡常數減小。根據表中數據可知在200℃、100Mpa時氨氣的物質的量最多，故氫氣的轉化率最大。雖然加壓有利于提供氫氣的轉化率，但壓強太高生產設備條件難以實現。催化劑只能改變反應速率，但不能改變化學平衡狀態。根據△G＝△H－T△S知，當ΔH<0、ΔS>0時反應自發，但過程但自發性只能用于判斷過程的方向，不能確定過程是否一定會發生和過程發生的速率。所以答案選B。
（3）氨氣易和酸反應生成NH₄^＋，所以電解質溶液應該顯堿性。在反應中氨氣失去電子
被氧化，在負極通入，電極反應式是2NH₃－6e^-－+6OH^－=N₂+3H₂O。
（7）根據K_sp[Fe(OH)₃]=4.0×10^-38，K_sp[Cr(OH)₃]=6.0×10^-31）可知
，所以當溶液中c(Fe³⁺)為2.0×10^-13mol/L時，溶液中c(Cr³⁺)為3×10^－6 mol/L。