合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。请回答下列问题:
(1) 合成氨的反应为: 2NH 3 (g) N 2 (g)+3H 2 (g) ,有关化学键的键能如表所示。
化学键 | | | |
键能 E/ kJ·mol −1 | 946 | 436.0 | 390.8 |
① 该反应的反应热 ΔH=_______ 。
② 已知该反应的 ΔS=198.9 J·mol −1 ·K −1 ,在下列哪些温度下反应能自发进行? _______( 填标号 )
A . 25℃ B . 125℃ C . 225℃ D . 325℃
(2) 在一定温度下,将 1 mol N 2 和 3 mol H 2 混合置于体积不变的密闭容器中发生反应,达到平衡状态时,测得气体总物质的量为 3.0 mol 。
① 达平衡时, H 2 的转化率 α=_______ 。
② 已知平衡时,容器压强为 8 MPa ,则平衡常数 Kp=_______( 用平衡分压代替浓度计算,分压 = 总压 × 物质的量分数 ) 。
(3) 利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。
① 阴极产生标准状况下 112mL 气体时,通过阴离子交换膜的离子的物质的量为 _______ ;
② 阳极的电极反应式为 _______ 。
(1) +90.8 kJ·mol −1 CD
(2) 50% 1/12 (或 0.083 或 0.08 )
(3) 0.01mol 2NH 3 -6e − +6OH − =N 2 +6H 2 O
【解析】( 1 )
① 反应热等于反应物的总键能减去生成物的总键能, ΔH=6 390.8 kJ·mol −1 -946 kJ·mol −1 -3 436 kJ·mol −1 =+90.8 kJ·mol −1 。
② 自由能 ΔG=ΔH-TΔS ,当 ΔG < 0 时,反应能自发进行, ΔS=198.9 J·mol −1 ·K −1 , 90.8 kJ·mol −1 -T 0.1989 kJ·mol −1 ·K −1 < 0 ,可得 T > 456.5K ,转化温度单位为 T > 183.5℃ ,故答案选 CD 。
( 2 )
根据题中数据可写出三段式:
平衡时, 1-x+3-3x+2x=3mol , x=0.5mol
①H 2 的转化率
② ,化简后代入 p=8MPa ,可得 K p = 。
( 3 )
根据化合价的变化判断出阳极为 NH 3 放电生成 N 2 ,阴极为 H 2 O 放电生成 H 2 ,电解质溶液为 KOH ,故电极反应为阳极: 2NH 3 -6e - +6OH - =N 2 +6H 2 O ;阴极: 6H 2 O+6e - =3H 2 +6OH - 。
① 阴极产生 H 2 标况下 112mL ,即 0.005mol ,根据电极反应可知,生成 OH - 为 0.01mol ,故通过阴离子交换膜的离子为 0.01mol 。
② 阳极电极反应为: 2NH 3 -6e - +6OH - =N 2 +6H 2 O 。
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