高中 | 盖斯定律 题目答案及解析

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选修四

第一章 化学反应与能量

第三节 化学反应热的计算

盖斯定律

氨气既是化工原料,也是清洁能源,研究氨气的合成具有重要意义。

已知氨气的部分反应及信息如下:

$4\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{g})+3{{\text{O}}_{2}}(\text{g})=2{{\text{N}}_{2}}(\text{g})+6{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})\qquad\Delta \textit{H}=-265\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

$\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{g})=\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{l})\qquad\Delta \textit{H}=-23\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

$\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{l})$的密度为$0.68\;\rm \text{kg}\cdot {{\text{L}}^{-1}}$

$1\ \text{L\ N}\text{H}_{3}(\text{l})$完全燃烧生成${{\text{N}}_{2}}(\text{g})$${{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})$,可以产生的热量是                

[["

$1730\\;\\rm \\text{kJ}$

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$4\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{g})+3{{\text{O}}_{2}}(\text{g})=2{{\text{N}}_{2}}(\text{g})+6{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})\qquad\Delta \textit{H}=-265\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

$\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{g})=\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{l})\qquad\Delta \textit{H}=-23\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

目标方程式为:$4\text{N}{{\text{H}}_{3}}(\text{l})+3{{\text{O}}_{2}}(\text{g})=2{{\text{N}}_{2}}(\text{g})+6{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})$

则③$\rm =$$\rm -4\times $②,$\Delta \textit{H}\rm =$$\rm -265$$\rm -4\times $$\rm -23$$\rm =-173\;\rm kJ/mol$

液氨的物质的量$\textit{n}\rm{=}\dfrac{\textit{m}}{\textit{M}}=\dfrac{\rho\!\!\textit{ V}}{\textit{M}}=\dfrac{\text{0}\text{.68}\times \text{1000}\times \text{1}}{\text{17}}\text{=40\ mol}$,当液氨为$\rm 40\;\rm mol$时,放出的热量为$\dfrac{40}{4}\times 173=1730\;\rm \text{kJ}\rm ;$

一种合成气$\rm ($含体积分数为$\rm 54\%$${{\text{H}}_{2}}$$\rm 35\%$$\rm CO$$\rm 7\%$$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$$\rm 4\%$${{\text{N}}_{2}}\rm )$可通过如下图所示转化制取合成氨气的原料。

,

①若转化Ⅰ中$\rm CO$$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$完全反应,得到的$\text{F}{{\text{e}}_{3}}{{\text{O}}_{4}}$$\text{CaC}{{\text{O}}_{3}}$的物质的量之比为                

②实际进行转化$\rm ($$\rm )$反应时,合成气中需添加一定量的水蒸气。添加水蒸气的目的是                

③其他条件一定,将添加了水蒸气的合成气通过装有$\text{F}{{\text{e}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}$$\rm CaO$的反应管,测得出口处$\rm CO$的体积分数与反应温度的关系如下图所示。

Ⅰ.$\rm 400$~$\rm 550\;\rm ^\circ\rm C$,温度越高,出口处$\rm CO$体积分数越低的原因是                

Ⅱ.高于$\rm 550\;\rm ^\circ\rm C$,出口处$\rm CO$体积分数随温度升高增大的原因是                

[["

$\\rm 5:3$ ;升高温度,加快化学反应速率,同时$\\rm CO$可以与水反应生成$\\rm CO_{2}$和氢气,增加氢气的产量,同时消耗$\\rm CO$,提高原料利用率;低温时,$\\text{CO+}{{\\text{H}}_{2}}\\text{O=}{{\\text{H}}_{2}}\\text{+C}{{\\text{O}}_{\\text{2}}}$更完全,$\\rm CO$体积分数较低;高温时,平衡逆向移动,$\\rm CO$体积分数开始升高

"]]

同温同压下,物质的量之比等于体积之比,设混合气体物质的量为$\rm 1\;\rm mol$,则根据$\text{CO+3F}{{\text{e}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{3}}\text{=2F}{{\text{e}}_{\text{3}}}{{\text{O}}_{\text{4}}}\text{+C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$化学计量数可知,$n\rm (\text{F}{{\text{e}}_{3}}{{\text{O}}_{4}}\rm )=2\textit{n}(\text{CO}\rm )=35\%\times 2=0.7\;\rm mol$,生成的二氧化碳的物质的量$n\rm (\text{C}{{\text{O}}_{2}}\rm )=\textit{n}(\text{CO}\rm )=0.35\;\rm mol$,体系中二氧化碳的总物质的量来自两部分,一份原来有的$\rm 7\%$,即$\rm 0.07\;\rm mol$,一份$\rm CO$反应生成的$\rm 0.35\;\rm mol$$n\rm(\text{C}{{\text{O}}_{2}}\rm )$$\rm =0.35+0.07=0.42\;\rm mol$,根据化学方程式:$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{+CaO=CaC}{{\text{O}}_{\text{3}}}$可知,$n\rm (\text{CaC}{{\text{O}}_{3}}\rm )=\textit{n}(\text{C}{{\text{O}}_{2}}\rm )$$\rm =0.42\;\rm mol$,得到的$\text{F}{{\text{e}}_{3}}{{\text{O}}_{4}}$$\text{CaC}{{\text{O}}_{3}}$的物质的量之比为$\rm 0.7:0.42=5:3$

添加水蒸气,升高温度,加快化学反应速率,同时$\rm CO$可以与水反应生成$\rm CO_{2}$和氢气,增加氢气的产量,同时消耗$\rm CO$,提高原料利用率;

低温时,$\text{CO+}{{\text{H}}_{2}}\text{O=}{{\text{H}}_{2}}\text{+C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$更完全,$\rm CO$体积分数较低,高温时,反应逆向移动,$\rm CO$体积分数开始升高;

一种${{\text{H}}_{2}}$${{\text{N}}_{2}}$可持续电催化合成氨的原理如下图$\rm ($如中${{\text{R}}_{1}}$${{\text{R}}_{2}}$${{\text{R}}_{3}}$${{\text{R}}_{4}}$可表示烃基$\rm )$所示。

①物质$\rm Y$的结构简式为                

②与${{\text{N}}_{2}}$${{\text{H}}_{2}}$直接合成氨的工艺相比,该方法的优点除产氨效率高外,还有                $\rm ($任写一点$\rm )$

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 ;反应温和

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${{\text{H}}_{\text{2}}}-\text{2}{{\text{e}}^{-}}\text{=2}{{\text{H}}^{+}}$,产生氢离子带正电,与带负电的原子结合,所以产物为,电解过程反应温和,不需要高温高压,从而降低了能耗和设备要求。

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