Question

科學家一直致力研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法．曾有實驗報道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發生反應，生成的主要產物為NH₃，反應的化學方程式如下：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+O₂（g）．回答下列問題：
（1）進一步研究NH₃生成量與溫度的關系，部分實驗數據見下表（光照、N₂壓力1.0×10⁵Pa、反應時間3h），則該反應的正反應為

吸熱

反應（填“吸熱”或“放熱”）

T/K	303	313	323
NH3生成量/（10-6mol）	4.8	5.9	6.0

（2）與目前廣泛使用的工業合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率慢．請提出可提高其反應速率且增大NH₃生成量的建議：

升高溫度、增大N₂的濃度

．
（3）合成氨工業中原料氣N₂可從空氣中分離得到，H₂可用甲烷在高溫下與水蒸氣反應制得．甲烷在高溫下與水蒸氣反應反應方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）．部分物質的燃燒熱數據如下：
H₂（g）：△H=-285.8kJ?mol^-1；
CO（g）：△H=-283.0kJ?mol^-1；
CH₄（g）：△H=-890.3kJ?mol^-1．
已知1mol H₂O（g）轉變為1mol H₂O（l）時放出44.0kJ熱量．寫出CH₄和H₂O在高溫下反應的熱化學方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1

．
（4）有人設想尋求適合的催化劑和電極材料，以N₂、H₂為電極反應物，以HCl--NH₄Cl為電解質溶液制成新型燃料電池，請寫出該電極的正極反應式

N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺

．
（5）生成的NH₃可用于制銨態氮肥，如（NH₄）₂SO₄、NH₄Cl，這些肥料顯

酸

性，原因是（用離子方程式表示）

NH₄⁺+H₂ONH₃H₂O+H⁺

，使用時避免與

堿性

物質合施．

Answer 1

分析：（1）溫度升高，NH₃生成量增大，說明平衡向正反應方向移動；
（2）根據影響化學反應速率以及平衡移動的因素分析；
（3）利用蓋斯定力計算反應熱；
（4）以N₂、H₂為電極反應物，以HCl--NH₄Cl為電解質溶液制成新型燃料電池，正極發生還原反應，N₂得電子生成NH₄⁺；
（5）（NH₄）₂SO₄、NH₄Cl等為強酸弱堿鹽，水解呈酸性．

解答：解：（1）溫度升高，NH₃生成量增大，說明平衡向正反應方向移動，則正反應應為吸熱反應，故答案為：吸熱；
（2）該反應正反應是吸熱反應，升高溫度，使化學平衡向正反應方向移動，從而增大NH₃生成量，升高溫度也能提高反應速率；增大反應N₂濃度，加快反應速率，并使化學平衡向右移動；不斷移出生成物脫離反應體系，使平衡向右移動，增大NH₃生成量，
故答案為：升高溫度、增大N₂的濃度；
（3）由表中數據可知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0 kJ?mol^-1，
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1，
利用蓋斯定律，將③+④-①×3-②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1；
（4）原電池正極發生還原反應，N₂得電子生成NH₄⁺，電極反應式為N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；
（5）（NH₄）₂SO₄、NH₄Cl等為強酸弱堿鹽，水解呈酸性，在溶液中發生：NH₄⁺+H₂ONH₃H₂O+H⁺，在使用時要避免與堿性物質混合使用，防止降低肥效，
故答案為：酸；NH₄⁺+H₂ONH₃H₂O+H⁺；堿性．

點評：本題考查較為綜合，涉及化學平衡，化學反應與能量以及電化學知識，題目難度較大，本題注意電極反應式的書寫，注意利用蓋斯定律計算反應熱的方法．