Question

化學在能源開發(fā)與利用中起著十分關鍵的作用．氫氣是一種新型的綠色能源，又是一種重要的化工原料．
I．氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化率高，具有廣闊的發(fā)展前景．現(xiàn)用氫氧燃料電池進行如圖實驗（圖中所用電極均為惰性電極）：
（1）對于氫氧燃料電池中，下列表達不正確的是

CD

A．a(chǎn)電極是負極，OH^-移向負極
B．b電極的電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-
C．電池總反應式為：2H₂+O₂

點燃  .

2H₂O
D．電解質(zhì)溶液的pH保持不變
E．氫氧燃料電池是一種不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)的新型發(fā)電裝置
（2）上圖裝置中盛有100mL、0.1mol?L^-1AgNO₃溶液，當氫氧燃料電池中消耗氫氣112mL（標準狀況下）時，則此時上圖裝置中溶液的pH=

1

  （溶液體積變化忽略不計）
II氫氣是合成氨的重要原料．工業(yè)上合成氨的反應是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.20kJ?mol^-1．
（1）下列事實中，不能說明上述可逆反應已達到平衡的是

②③

（填序號）
①單位時間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時生成3n mol H₂
②單位時間內(nèi)生成n mol N-H的同時生成n mol N≡N
③用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應速率之比為1：3：2
④N₂、H₂、NH₃的體積分數(shù)不再改變
⑤混合氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變
⑥混合氣體的總物質(zhì)的量不再改變
（2）已知合成氨反應在某溫度下2L的密閉容器中進行，測得如下數(shù)據(jù)：

時間（h） 物質(zhì)的量（mol）	0	1	2	3	4
N2	1.50	n1	1.20	n3	1.00
H2	4.50	4.20	3.60	n4	3.00
NH3	0	0.20	N2	1.00	1.00

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算：
①反應進行到2小時時放出的熱量為

27.66kJ

②此條件下該反應的化學平衡常數(shù)K=

4

27

（保留兩位小數(shù)）
③反應達到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂和NH₃各1.00mol，化學平衡將向

正反應

  方向移動（填“正反應”或“逆反應”、“不移動”）．

Answer 1

分析：I．（1）氫氧燃料電池中，通入氫氣的電極是負極，通入氧氣的電極是正極，負極上失電子發(fā)生氧化反應，正極上得電子發(fā)生還原反應，原電池放電時溶液中陰離子向負極移動，氫氣和氧氣反應生成水，導致溶液體積增大氫氧根離子濃度減小，pH發(fā)生變化，燃料電池不需要將氧化劑和還原劑儲藏在電池內(nèi)部；
（2）根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒結(jié)合電解池反應式計算生成硝酸的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)pH的計算公式計算；
II（1）達到化學平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度、質(zhì)量、物質(zhì)的量、百分含量不變，對于反應前后氣體的化學計量數(shù)之和不相等的反應來說，達到平衡時，壓強也不變；
（2）①根據(jù)氫氣和反應熱之間的關系計算；
②先計算平衡時各物質(zhì)的濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)公式計算；
③根據(jù)濃度商和平衡常數(shù)的相對大小判斷，當濃度商小于平衡常數(shù)，則平衡向正反應方向移動，當濃度商大于平衡常數(shù)則平衡向逆反應方向移動，當濃度商等于平衡常數(shù)則達到平衡狀態(tài)．

解答：解：I．（1）A．燃料電池中通入燃料的電極是負極，所以a電極是負極，原電池放電時，電解質(zhì)溶液中OH^-移向負極，故正確；
B．通入氧氣的電極是正極，正極上得電子發(fā)生還原反應，所以b電極的電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故正確；
C．該原電池反應不需要點燃，其電池總反應式為：2H₂+O₂=2H₂O，故錯誤；
D． 燃料電池放電時生成水，溶質(zhì)的物質(zhì)的量不變，但溶液的體積增大，所以電解質(zhì)的物質(zhì)的量濃度減小，則溶液的pH減小，故錯誤；
E．氫氧燃料電池是一種不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)的新型發(fā)電裝置，（2）只需要不斷補充氧化劑和還原劑即可，故正確；
故選CD；
（2）當氫氧燃料電池中消耗氫氣112mL（標準狀況下）時轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量=

0.112L

22.4L/mol

×2=0.01mol，
電解硝酸銀溶液的電池反應式為4AgNO₃+2H₂O=4Ag+4HNO₃+O₂↑，設硝酸的物質(zhì)的量濃度為xmol/L，
4AgNO₃+2H₂O=4Ag+4HNO₃+O₂↑  轉(zhuǎn)移電子
               4mol        4mol
               0.1xmol     0.01mol
x=

0.01mol×4mol

4mol×0.1mol

=0.1，
所以硝酸的物質(zhì)的量濃度是0.1mol/L，則溶液的pH=1，
故答案為：1；
II（1）該反應是一個反應前后氣體體積減小的放熱反應，
①當單位時間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時生成3n mol H₂時，說明反應v_正=v_逆，達到平衡狀態(tài)，故不選；
②當單位時間內(nèi)生成6n mol N-H的同時生成n mol N≡N時該反應才達到平衡狀態(tài)，所以單位時間內(nèi)生成n mol N-H的同時生成n mol N≡N時沒有達到平衡狀態(tài)，故選；
③無論反應是否達到平衡狀態(tài)，同一時間段內(nèi)用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應速率之比都為1：3：2，
所以不能判斷是否達到平衡狀態(tài)，故選；
④但反應達到平衡狀態(tài)時，各物質(zhì)的物質(zhì)的量不再變化則N₂、H₂、NH₃的體積分數(shù)不再改變，所以能說明達到平衡狀態(tài)，故不選；
⑤根據(jù)質(zhì)量守恒，反應前后混合物的質(zhì)量不變，各物質(zhì)的物質(zhì)的量不再變化，其平均相對分子質(zhì)量就不再改變，所以能說明達到平衡狀態(tài)，故不選；
⑥但反應達到平衡狀態(tài)時，各物質(zhì)的物質(zhì)的量不變，所以混合氣體的總物質(zhì)的量不再改變時說明達到平衡狀態(tài)，故不選；
故選②③；
（2）①2小時時參加反應的氫氣的物質(zhì)的量=（4.50-3.60）mol=0.90mol，有3mol氫氣參加反應時放出92.2kJ能量，
當0.90mol氫氣參加反應時放出熱量=

92.2kJ×0.90mol

3mol

=27.66kJ，故答案為：27.66kJ；
②當反應進行到3小時時，生成氨氣1.00mol，則參加反應的氫氣的物質(zhì)的量=

1.00mol

2

×3=1.50mol，n₄=4.5mol-1.5mol=3.00mol，n₃=1.50mol-

1.00mol

2

×1=1.00mol，3、4小時時各物質(zhì)的物質(zhì)的量不變，所以該反應在第三小時時已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，平衡時c（NH₃）=

1.00mol

2L

=0.5mol/L，c（H₂）=

3.00

2

mol/L=1.5mol/L，c（N₂）=

1.00

2

mol/L
=0.5 mol/L，K=

(0.5)2

0.5×(1.5)3

=

4

27

，故答案為：

4

27

；
③反應達到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂和NH₃各1.00mol，c（NH₃）=1mol/L，c（H₂）=2mol/L，c（N₂）=1mol/L，
濃度商=

1×1

1×23

=

1

8

＜K，則平衡向正反應方向移動，故答案為：正反應．

點評：本題考查原電池原理和化學平衡移動等知識點，明確化學平衡狀態(tài)的判斷方法，知道有關化學平衡常數(shù)的計算，為高考的熱點，應重點掌握．