Question

對工業合成氨條件的探索一直是化學工業的重要課題，現有如下兩種合成氨的途徑：
I．N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-90.0kJ/mol．II.2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530.0kJ/mol．
（1）根據上述反應，寫出表示H₂燃燒熱的熱化學方程式

 

．
（2）在恒溫恒容的甲容器、恒溫恒壓的乙容器中分別進行合成氨反應如下圖（圖中所示數據均為初始物理量）．

反應均達到平衡時，生成NH₃也均為0.4mol（忽略水對壓強的影響及氨氣的溶解）．
①該條件下甲容器中的K=

 

；平衡時，甲的壓強P_平=

 

（用P₀表示）；
②該條件下，若向乙中繼續加入0.2mol N₂，達到平衡時N₂轉換率=

 

．
（3）最近華南理工大提出利用電解法制H₂O₂并以此處理廢氨水，裝置如下圖．
①為不影響H₂O₂的產量，需要向廢氨水加入適量硝酸調節溶液的pH約為5，則所得廢氨水溶液中c（NH₄^+）

 

c（NO₃^-）（填“＞”、“＜”或“=”）；
②Ir-Ru惰性電極有吸附O₂作用，該電極的反應為

 

；
③理論上電路中每轉移3mol電子，最多可以處理NH₃?H₂O的物質的量為

 

．

Answer 1

分析：（1）根據蓋斯定律求出2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）反應方程式的反應熱，然后根據燃燒熱是1mol可燃物質完全燃燒生成穩定氧化物放出的熱量，求出H₂燃燒熱并書寫熱化學方程式；
（2）①平衡常數指各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值，化學平衡常數只與溫度有關；根據“三段式”來進行計算得出結論；在恒溫恒容的容器中壓強之比等于氣體的物質的量比；
②根據溫度不變化學平衡常數不變結合“三段式”計算得出達到平衡時N₂轉換率；
（3）①根據溶液呈電中性，溶液中陽離子所帶的正電荷總數等于溶液中陰離子所帶的負電荷總數進行解答；
②在該電解池中，Ir-Ru惰性電極有吸附O₂作用為氧氣得電子發生還原反應，在酸性條件下生成過氧化氫；
③根據4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O，每轉移12mol電子，處理4mol氨氣，據此分析解答．

解答：解：（1）N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-90.0kJ/mol①
2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530.0kJ/mol②
①×

2

3

-②×

1

3

，得：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=

2

3

×（-90 kJ?mol^-1）-1/3×（+1530 kJ?mol^-1）=-570kJ?mol^-1，燃燒熱是1mol可燃物質完全燃燒生成穩定氧化物放出的熱量，所以H₂的化學計量數為1，H₂燃燒熱的熱化學方程式為：H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O△H=-285.0kJ/mol，
故答案為：H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O△H=-285.0kJ/mol；
（2）①根據題意：甲容器N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
初始物質的量：0.4mol   1.2mol      0
變化物質的量：0.2mol    0.6mol      0.4mol
平衡物質的量：0.2mol    0.6mol     0.4mol
體積為2L，則C（N₂）=0.1mol/L，C（H₂）=0.3mol/L，C（NH₃）=0.2mol/L，平衡常數為K=

C2(NH3)

C(N2)×C3(H2)

=

(0.2mol/L)2

0.1mol/L×(0.3mol/L)3

=

400

27

，初始氣體總物質的量=0.4mol+1.2mol=1.6mol，平衡時氣體總物質的量：0.2mol+0.6mol+0.4mol=1.2mol，在恒溫恒容的容器中壓強之比等于氣體的物質的量比；甲的壓強P_平=

1.2

1.6

P₀=

3

4

P₀，
故答案為：

400

27

；

3

4

P₀；
②化學平衡常數只與溫度有關，乙為恒溫恒壓，根據題意：乙容器2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），
                                           初始物質的量：1.6mol 6mol       0       0
                                           變化物質的量：0.2mol 0.6mol    0.4mol   0.3mol   
                                           平衡物質的量：1.4mol 5.4mol   0.4mol    0.3mol
體積為2L，則C（N₂）=0.7mol/L，C（H₂O）=2.7mol/L，C（NH₃）=0.2mol/L，C（O₂）=0.15mol/L，平衡常數為K=

C3(O2)×C4(NH3)

C2(N2)×C6(H2O)

=

(0.3mol )3×(0.4mol )4

(1.4mol)2×(5.4mol  )6

，若向乙中繼續加入0.2mol N₂，設N₂轉換率為X，則
            2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），
初始物質的量：1.8mol     6mol              0         0
變化物質的量：1.8Xmol   5.4Xmol          3.6Xmol   2.7Xmol
平衡物質的量：（1.8-1.8X）mol（ 6-5.4X）mol 3.6Xmol 2.7Xmol
溫度不變，平衡常數不變，則
K=

C3(O2)×C4(NH3)

C2(N2)×C6(H2O)

=

(0.3mol )3×(0.4mol )4

(1.4mol)2×(5.4mol  )6

=

(2.7Xmol)3×(3.6Xmol )4

[(1.8-1.8X)mol]2×[( 6-5.4X)mol ]6

，X=0.125，
故答案為：12.5%；
（3）①向廢氨水加入適量硝酸調節溶液的pH約為5，根據溶液呈電中性，溶液中c（NH₄⁺）+c（H⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），pH約為5呈酸性，c（H⁺）＞c（OH^-），所以
c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-），
故答案為：＜；
②利用電解法制H₂O₂，在該電解池中，Ir-Ru惰性電極有吸附O₂作用為氧氣得電子發生還原反應，O₂+2H⁺+2e^-═H₂O₂，
故答案為：O₂+2H⁺+2e^-═H₂O₂；
③4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O中，氨氣中的氮元素從-3價變為氮氣中的0價，4mol氨氣轉移12mol電子，所以轉移3mol電子，最多可以處理NH₃?H₂O的物質的量為1mol，
故答案為：1mol．

點評：本題考查較綜合，涉及反應熱的計算、化學平衡及化學平衡的計算、電極反應式的書寫等，掌握平衡常數的應用、根據溶液的電中性判斷離子濃度大小是解答該題的關鍵，題目難度中等．