Question

氨是一種重要的化工產品，是氮肥工業、有機合成工業以及制造硝酸、銨鹽和純堿的原料，也是一種常用的制冷劑。
(1) 實驗室制備氨氣的化學反應方程式為_________。
(2) 工業合成氨的反應方程式為：N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g) △H。下圖I是合成氨反應的能量與反應過程相關圖（未使用催化劑）；圖D是合成気反應在2L容器中、相同投料情況下、其它條件都不變時，某一反應條件的改變對反應的影響圖。

下列說法正確的是_______。

A．ΔH＝－92.4kJ/mol

B．使用催化劑會使E1的數值增大

C．為了提高轉化率，工業生產中反應的濃度越低越好

D．圖II是不同壓強下反應體系中氨的物質的量與反應時間關系圖，且PA<PB

E.圖II是不同溫度下反應體系中氨的物質的量與反應時間關系圖，且T_A>T_B；
F.該反應的平銜常數K_A<K_B
G.在曲線A條件下，反應從開始到平衡，消耗N₂的平均速率為mol/(L·min)
(3) —定溫度下，向一個容積為2 L的密閉容器中通入2 mol N₂和7 mol H₂，達到平衡時測得容器的壓強為起始時的倍，則此溫度下的平衡常數為_______。在同一溫度，同一容器中，將起始物質改為amol N₂  b molH₂   c mol NH₃ (a,b,c均不為零）欲使平衡混合物中各物質的質量與原平衡相同，則a,b,c滿足的關系為_____________(用含a,b,c的表達式表示），且欲使反應在起始時向逆反應方向進行，c的取值范圍是_______
(4)已知H₂(g)的燃燒熱為285.8 kJ/mol，試寫出表示NH₃(g)燃燒熱的熱化學反應方程式_____。以氨氣為燃料可以設計制氨燃料電池（電極材料均為惰性電極,KOH溶液作電解質溶液）該電池負極電極反應式為_______經測定，該電作過程中每放出1molN₂實際提供460kJ的電能，則該燃料電池的實際效率為_____(燃料電池的實標效率是指電池實際提供的電能占燃料電池反應所能釋放出的全部能量的百分數)

Answer 1

（1）2NH₄Cl＋Ca(OH)₂CaCl₂＋2NH₃↑＋2H₂O（2分）  （2）AEFG （2分）
（3）0.25L²·mol^－2（2分，平衡常數不帶單位也給分）；
a＋0.5c＝2、b＋1.5c＝7（2分）；2＜c＜4（2分）
（4）NH₃(g)＋O₂(g)＝H₂O(l)＋N₂(g) △H＝－382.5kJ/mol（2分）
2NH₃－6e^－＋6OH^－＝6H₂O＋N₂（2分）    60.1%（1分）

試題分析：(1)實驗室制備氨氣的化學反應方程式為2NH₄Cl＋Ca(OH)₂CaCl₂＋2NH₃↑＋2H₂O。
（2）根據圖像I可知，反應物的總能量高于生成物的總能量，因此該反應是放熱反應，所以ΔH＝312.4kJ/mol=404.8kJ/mol＝－92.4kJ/mol，A正確；催化劑降低反應的活化能，所以使用催化劑會使E₁的數值增大，B不正確；為了提高轉化率，工業生產中反應的濃度并不是越低越好，C不正確；根據圖像Ⅱ可知，曲線A首先達到平衡狀態，這說明曲線A的反應速率快。但平衡時曲線A表示的氨氣物質的量低，由于正方應是體積減小的放熱的可逆反應，所以曲線Ⅱ中表示的條件是升高溫度，所以選項D不正確，E正確；升高溫度平衡向逆反應方向移動，所以平衡常數減小，因此選項F正確。根據圖像Ⅱ可知，反應進行到t₁時，可逆反應達到平衡狀態，此時生成氨氣的物質的量是n₁mol，所以消耗氮氣的物質的量是2n₁mol，所以在曲線A條件下，反應從開始到平衡，消耗N₂的平均速率為mol/(L·min)，G正確，答案選AEFG。
（3）             N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)
起始濃度（mol/L）  1      3.5         0
轉化濃度（mol/L）  x      3x          2x
平衡濃度（mol/L） 1－x  3.5－3x       2x
達到平衡時測得容器的壓強為起始時的倍
所以×4.5＝1－x＋3.5－3x＋2x
解得x＝0.5
所以該溫度下可逆反應的平衡常數K＝＝＝0.25L²·mol^－2
對于恒溫恒容下對于反應前后氣體體積發生變化的反應來說（即△n≠0的體系）：等效轉化后，對應各物質起始投料的物質的量與原平衡起始態相同即可，據此可知欲使平衡混合物中各物質的質量與原平衡相同，則a,b,c滿足的關系為a＋0.5c＝2、b＋1.5c＝7。由于平衡時氨氣的物質的量是2mol，所以要欲使反應在起始時向逆反應方向進行，c的取值范圍是c＞2。當起始時反應物的物質的量為0時，氨氣的物質的量最大，所以根據a＋0.5c＝2、b＋1.5c＝7可知，c＝4或4.7，因此c的取值范圍是2＜c＜4。
（3）H₂(g)的燃燒熱為285.8 kJ/mol，則氫氣燃燒的熱化學方程式是H₂(g)＋0.5O₂(g)＝H₂O(l) △H＝－285.8 kJ/mol…①，所以根據N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g) △H＝－92.4kJ/mol…②可知，②÷2－①×即得到熱化學方程式NH₃(g)＋O₂(g)＝H₂O(l)＋N₂(g) △H＝－382.5kJ/mol。原電池負極失去電子，發生氧化反應，正極得到電子，發生還原反應。所以在該燃料電池中氨氣失去電子，在負極通入，其電極反應式是2NH₃－6e^－＋6OH^－＝6H₂O＋N₂。根熱化學方程式可知，每生成1molN₂放出765kJ能量，而實際提供460kJ的電能，所以該燃料電池的實際效率為×100%＝60.1%。