Question

科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法．曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃．進(jìn)一步研究NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表（光照、N₂、壓強(qiáng)1.0×10⁵ Pa、反應(yīng)時(shí)間3h）：

T/K	303	313	323	353
NH3生成量 /10-6 mol	4.8	5.9	6.0	2.0

相應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.2kJ?mol^-1
回答下列問題：
（1）請畫出上述反應(yīng)在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應(yīng)過程中體系能量變化的示意圖，并進(jìn)行必要標(biāo)注．
（2）與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法固氮反應(yīng)速率慢．請?zhí)岢隹商岣咂浞磻?yīng)速率且增大NH₃生成量的建議：（寫兩點(diǎn)）

 

；

 

．
（3）工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N₂（g）+3H₂（g）高溫、高壓催化劑
2NH₃（g）．設(shè)在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60mol N₂（g）和1.60mol H₂（g），反應(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡時(shí)，NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（NH₃的物質(zhì)的量與反應(yīng)體系中總的物質(zhì)的量之比）為

4

7

．
計(jì)算：①該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率為

 

（保留一位小數(shù)）．
②該條件下反應(yīng)2NH₃（g）高溫、高壓催化劑N₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)

 

．
③若反應(yīng)溫度不變，假如在容積為2.0L的密閉容器中起始充入0.40mol N₂（g）和0.40mol H₂（g），反應(yīng)3min時(shí)測得體系壓強(qiáng)為原來的

3

4

，這段時(shí)間H₂的平均反應(yīng)速率為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,合成氨條件的選擇,探究濃度、催化劑對化學(xué)平衡的影響

專題：

分析：（1）催化劑是通過降低反應(yīng)的活化能來加快化學(xué)反應(yīng)速率的；
（2）根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的因素來回答；
（3）利用化學(xué)平衡“三段式法”來分析計(jì)算
①轉(zhuǎn)化率=

反應(yīng)的物質(zhì)的量

加入的總物質(zhì)的量

×100%；
②化學(xué)平衡常數(shù)K=

生成物濃度系數(shù)冪次方

反應(yīng)物濃度系數(shù)冪次方

；
③利用v=

△c

△t

計(jì)算．

解答： 解：（1）催化劑是通過降低反應(yīng)的活化能來加快化學(xué)反應(yīng)速率的，使用催化劑后，活化能降低，故答案為：；
（2）要提高其反應(yīng)速率且增大NH₃生成量，根據(jù)影響反應(yīng)速率的因素：溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等外界因素，和影響平衡移動的因素，結(jié)合目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法，可以采用增大壓強(qiáng)、適當(dāng)增大溫度、增大氮?dú)庥昧康姆椒�，故答案為：適當(dāng)增大溫度；適當(dāng)增大壓強(qiáng)；
（3）①設(shè)平衡時(shí)有x molN₂轉(zhuǎn)化
              N₂（g）+3H₂（g））?2NH₃（g）
起始物質(zhì)的量：0.6mol 1.6mol        0
變化的物質(zhì)的量：x    3x           2x
平衡物質(zhì)的量：（0.6-x）mol （1.6-3x）mol 2x mol
則有：

2xmol

(2.2-2x)mol

=

4

7

解得：x=0.4（mol）
故N₂的平衡轉(zhuǎn)化率：

0.4mol

0.6mol

×100%=66.7%，
故答案為：66.7%；
②由①可知，N₂、H₂、NH₃平衡時(shí)的物質(zhì)的量分別為：0.2mol、0.4mol、0.8mol，
在2.0L容器中濃度分別為：0.1mol/L、0.2mol/L、0.4mol/L，
K=

[N2]?[H2]3

[NH3]2

=

0.1mol/L×(0.2mol/L)3

(0.4mol/L)2

=5.0×10^-3mol²/L²，
故答案為：5.0×10^-3mol²/L²；
③設(shè)平衡時(shí)有x molN₂轉(zhuǎn)化
              N₂（g）+3H₂（g））?2NH₃（g）
起始物質(zhì)的量：0.4mol      0.4mol        0
變化的物質(zhì)的量：x         3x            2x
平衡物質(zhì)的量：（0.4-x）mol （0.4-3x）mol 2x mol
則有：

0.8-2x

0.8

=

3

4

，解得x=0.1，
v（H₂）=

△n V

△t

=

0.1mol×3 2L

3min

=0.05mol/（L?min），故答案為：0.05mol/（L?min）．

點(diǎn)評：本題考查學(xué)生化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識，綜合性較強(qiáng)，難度較大．