Question

(8分)德國人哈伯在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，反應(yīng)原理：

N₂(g)＋3H₂(g) 2NH₃(g)；已知298 K時(shí)，

ΔH＝－92.4 kJ·mol^－1，ΔS＝－198.2 J·mol^－1·K^－1，試回答下列問題：

(1)計(jì)算說明298 K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？________(填“能”或“不能”)；在298 K時(shí)，將10 mol N₂和30 mol H₂放入合成塔中，為什么放出的熱量小于924 kJ？________。

(2)如圖在一定條件下，將1 mol N₂和3 mol H₂混合于一個(gè)10 L的密閉容器中，反應(yīng)達(dá)到A平衡時(shí)，混合氣體中氨占25%，試回答下列問題：

①N₂的轉(zhuǎn)化率為________；

②在達(dá)到狀態(tài)A時(shí)，平衡常數(shù)K_A＝________(代入數(shù)值的表達(dá)式，不要求得具體數(shù)值)，當(dāng)溫度由T₁變化到T₂時(shí)，K_A________K_B(填“＝”、“<”或“>”)。

③在達(dá)到狀態(tài)B時(shí)，下列說法正確的是(　　)

a．通入氬氣使壓強(qiáng)增大，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)

b．N₂的正反應(yīng)速率是H₂的逆反應(yīng)速率的1/3倍

c．降低溫度，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量變小

d．增加N₂的物質(zhì)的量，H₂的轉(zhuǎn)化率降低

(3)若在恒溫、恒壓條件下合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向平衡體系中通入氬氣，平衡________移動(dòng)(填“向左”“向右”或“不”)。

(4)在1998年希臘亞里斯多德大學(xué)的Marnellos和Stoukides采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H^＋)，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓下高轉(zhuǎn)化率的電化學(xué)合成氨，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖：

則陰極的電極反應(yīng)式為____________________________________________________。

 

Answer 1

【答案】

(1)能'由于合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，10 mol N₂和30 mol H₂不可能完全反應(yīng)，所以放出的熱量小于10×92.4 kJ＝924 kJ

(2)①40%'②0.08²/(0.06×O.18³)'>'③b

(3)向左'(4)N₂＋6e^－＋6H^＋===2NH₃

【解析】(1)ΔH－TΔS＝－92.4 kJ·mol^－1－298 K×(－198.2 J·mol^－1·K^－1)×10^－3 kJ·J^－1＝－33.3 kJ·moL^－1<0，故該反應(yīng)在298 K時(shí)能自發(fā)進(jìn)行。由于合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，10 mol N₂和30 mol H₂不可能完全反應(yīng)，所以放出的熱量小于10×92.4 kJ＝924 kJ。

(2)由反應(yīng)：設(shè)轉(zhuǎn)化了N₂為x mol·L^－1，

則　　 N₂(g)＋3H₂(g) 2NH₃(g)

初始：　0.1　　　0.3　　　　0

轉(zhuǎn)化：　x　　　　3x　　　　2x

平衡：　0.1－x　 0.3－3x　　2x

2x/(0.1－x＋0.3－3x＋2x)×100%＝25%'x＝0.04

所以①N₂的轉(zhuǎn)化率為：0.04/0.1×100%＝40%。

②平衡常數(shù)K_A＝0.08²/(0.06×0.18³)。當(dāng)溫度由T₁變化到T₂時(shí)，N₂的轉(zhuǎn)化率降低，說明化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以K_A>K_B。③由于在恒容密閉容器中通入氬氣，體系壓強(qiáng)確實(shí)增大，但由于N₂、H₂、NH₃的濃度均不發(fā)生變化，化學(xué)平衡不移動(dòng)，故a錯(cuò)誤；達(dá)到平衡時(shí)正、逆反應(yīng)速率相等，即v(N₂，正)＝v(N₂，逆)、v(H₂，正)＝v(H₂，逆)，由“化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式中化學(xué)計(jì)量數(shù)之比”知b正確；降低溫度，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氣體物質(zhì)的量減少，而氣體總質(zhì)量不變，根據(jù)M＝m/n知，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量增大，故c錯(cuò)誤；增加N₂的物質(zhì)的量，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，H₂的轉(zhuǎn)化率升高，故d錯(cuò)誤。

(3)在恒壓條件下加入氬氣，則容積增大，導(dǎo)致原平衡中各物質(zhì)的濃度同等比例減小，所以平衡向氣體體積增大的方向即向左移動(dòng)。

(4)由于該反應(yīng)的總式為合成氨反應(yīng)：N₂＋3H₂2NH₃，在該反應(yīng)中，H₂失去電子在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為：3H₂－6e^－===6H^＋，則陰極電極反應(yīng)式為“該反應(yīng)的總式減去陽極電極反應(yīng)式”得：N₂＋6e^－＋6H^＋===2NH₃。