《2025年学霸高考黑题化学人教版》

(2025·湖北武汉二模)某学习小组研究含氮化合物时做了如下探究。由于N₂性质很不活泼，直到1909年德国化学家Habar经过反复实验研究后发现在500~600℃，17.5~20.0 MPa和锇为催化剂的条件下，合成氨具有了工业化生产的可能。
(1)已知H₂、NH₃的燃烧热分别为a kJ·mol⁻¹、b kJ·mol⁻¹，写出合成氨的热化学反应方程式$N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)$ $\Delta H = -(3a - 2b)kJ·mol^{-1}$。

(2)锇催化的过程：H₂、N₂先吸附到锇表面，吸附后的分子才能发生反应生成NH₃，然后NH₃脱附得到产物，该过程符合Langmuir吸附等温式。定义θ为催化剂的表面覆盖率。θ随压强的变化如图所示。θ值越大，催化效果越好。合成氨条件需要控制在17.5~20.0 MPa的原因是压强太小，则θ小，催化效果差，且产率太小。压强太大，对设备要求高，成本高且不安全。
(3)在500 K，体积为1 L的恒容容器中，对于合成氨反应，初始投料N₂(g)为0.2 mol，H₂(g)为0.05 mol，NH₃(g)为0.15 mol，则以下哪些条件可以判断反应达到平衡①③④(填序号)。
①H₂的体积分数不变 ②N₂的物质的量分数不变 ③气体总压不变 ④NH₃的分压不变 ⑤体系密度不变
(4)NO₂可以发生二聚2NO₂(g)⇌N₂O₄(g)，此反应可自发进行。动力学实验证明，上述混合气温度由289 K升至311 K，此过程几微秒即可达成化学平衡。则升温后的混合气体在室温下放置，气体颜色变化为颜色变浅。
(5)对于可逆反应：eE(g)+fF(g)⇌gG(g)+hH(g)，Kₚ^θ=(p_H/p^θ)^h(p_G/p^θ)^g/(p_E/p^θ)^e(p_F/p^θ)^f，p^θ=100 kPa。现有总压100 kPa下NO₂和N₂O₄的混合气体，其密度为同状态下H₂密度的34.5倍，求2NO₂(g)⇌N₂O₄(g)反应的平衡常数Kₚ^θ=2。
(6)NO₂可以与许多金属发生氧化还原反应。在300 K，体积为V L的恒容容器中加入一定量的Ag(s)和NO₂(g)，发生如下三个反应：
①Ag(s)+NO₂(g)⇌AgNO₂(s)
②Ag(s)+2NO₂(g)⇌AgNO₃(s)+NO(g)
③2NO₂(g)⇌N₂O₄(g)
当体系各物质的物质的量不再改变时，此时Ag(s)已被消耗完，AgNO₂(s)、AgNO₃(s)均有生成。现缩小容器体积，几种气体的摩尔分数x也将变化。则NO(g)的摩尔分数x(NO)随压强p的变化趋势为②。(填“①”“②”或“③”)[x(NO)=n(NO)/[n(NO)+n(NO₂)+n(N₂O₄)]]。

(7)已知理想气体状态方程：pV=nRT，当体积单位为L时，压强单位为kPa，R=25/3 J·(mol·K)⁻¹。N₂O₅的可逆分解：N₂O₅(g)⇌N₂O₄(g)+1/2O₂(g)，v正(N₂O₅)=k正c(N₂O₅)，v逆(N₂O₅)=k逆c(N₂O₄)×c^(1/2)(O₂)。
在300 K，体积为1 L的恒容容器中，对于N₂O₅的可逆分解，k正=0.1 s⁻¹，k逆=0.025 mol^(-1/2)·L^(1/2)·s⁻¹。若上述体系初始分压$p_{N₂O₅}=17 kPa，$$p_{N₂O₄}=34 kPa，$$p_{O₂}=8.0 kPa。$则平衡时O₂的压强为$p_{O₂}=$16.0kPa。[不考虑2NO₂(g)⇌N₂O₄(g)]

答案：
巩固训练5
(1)$N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)$ $\Delta H = -(3a - 2b)kJ·mol^{-1}$
(2)压强太小，则θ小，催化效果差，且产率太小。压强太大，对设备要求高，成本高且不安全
(3)①③④
(4)颜色变浅
(5)2
(6)②
(7)16.0
解析:
(3)在恒容条件下，氢气的体积分数保持不变，说明正、逆反应速率相等，反应已达到平衡，①符合题意；列三段式可知$N_{2}$的物质的量分数一直不变，不可说明反应已达到平衡，②不符合题意；恒容反应气体总压不变，化学反应一定达到平衡，③符合题意；恒容体系$NH_{3}$的分压不变说明其浓度不再变化，$NH_{3}$的分压不变能说明反应已达到平衡，④符合题意；恒容反应，由于该反应中所有物质均为气体，根据质量守恒定律，体系质量在反应中不发生变化，则体系密度在反应中不发生变化，因此体系密度变化不能作为判断反应达到平衡的标志，故⑤不符合题意。
(4)$2NO_{2} (g)\rightleftharpoons N_{2}O_{4}(g)$为放热反应，降低温度平衡正向移动，混合气体颜色变浅。
(5)$NO_{2}$与$N_{2}O_{4}$的混合气体总压强为$100kPa$，密度为同状态下氢气密度的$34.5$倍，则混合气体的摩尔质量为$34.5×2g·mol^{-1} = 69g·mol^{-1}$，则:

根据十字交叉法可知平衡后两种气体的物质的量之比$n(NO_{2}):n(N_{2}O_{4})=23:23=1:1$，因平衡时$NO_{2}$与$N_{2}O_{4}$的混合气体总压强为$100kPa$，则$p(NO_{2}) = p(N_{2}O_{4}) = 50kPa$，平衡常数$K_{p}^{\theta}=\frac{p(N_{2}O_{4})}{p^{2}(NO_{2})p^{\theta}} = 2$。
(6)$NO(g)$的摩尔分数$x(NO)$随压强$p$的变化趋势是减小。
(7)根据已知，$N_{2}O_{4}$的可逆分解平衡时$v_{正}(N_{2}O_{4}) = v_{逆}(N_{2}O_{4})$，即$k_{正}c(N_{2}O_{4}) = k_{逆}c^{2}(O_{2})×c(N_{2}O_{5})$，则平衡常数$K = \frac{c(N_{2}O_{5})}{c(N_{2}O_{4})c(O_{2})^{2}} = \frac{k_{正}}{k_{逆}} = \frac{0.1s^{-1}}{0.025mol^{-\frac{1}{2}}·L^{\frac{1}{2}}·s^{-1}} = 4mol^{-\frac{1}{2}}·L^{\frac{1}{2}}$，根据$pV = nRT$可得：
$K = \frac{c(N_{2}O_{5})}{c(N_{2}O_{4})c(O_{2})^{2}} = \frac{\frac{p(N_{2}O_{5})}{p^{\theta}}[\frac{p(O_{2})}{p^{\theta}}]^{-2}}{\frac{p(N_{2}O_{4})}{p^{\theta}}} = 4mol^{-\frac{1}{2}}·L^{\frac{1}{2}}×[\frac{1}{RT}]^{\frac{1}{2}} = 4mol^{-\frac{1}{2}}·L^{\frac{1}{2}}×[\frac{25}{3}J·(mol·K)^{-1}×300K]^{-\frac{1}{2}} = 200J^{\frac{1}{2}}·L·mol^{-\frac{1}{2}} = 200Pa^{\frac{1}{2}}·L·mol^{-\frac{1}{2}}$，根据初始条件有：$\frac{p_{0}(N_{2}O_{4})}{p_{0}(N_{2}O_{5})} = \frac{34kPa×[8kPa]^{\frac{1}{2}}}{17kPa} = \frac{34kPa×2\sqrt{2}kPa^{\frac{1}{2}}}{17kPa} ＜ 200Pa^{\frac{1}{2}}·L·mol^{-\frac{1}{2}}$，则反应正向进行，假设氧气分压转化$xkPa$，则平衡时$\frac{p(N_{2}O_{4})×p^{\frac{1}{2}}(O_{2})}{p(N_{2}O_{5})} = \frac{(34 + 2x)kPa×(8 + x)kPa^{\frac{1}{2}}}{(17 - 2x)kPa} = 200Pa^{\frac{1}{2}}·L·mol^{-\frac{1}{2}}$，解得$x = 8$，则平衡时$O_{2}$的压强为$(8 + 8)kPa = 16kPa$。