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。曾有實驗報道：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。進一步研究NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實驗數(shù)據(jù)見下表(光照、N₂壓力1.0×10⁵ Pa、反應(yīng)時間3 h)：

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)＋O₂(g)

ΔH＝765.2 kJ·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示意圖，并進行必要標(biāo)注。

(2)與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法中固氮反應(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：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)。設(shè)在容積為2.0 L的密閉容器中充入0.60 mol N₂(g)和1.60 mol H₂(g)，反應(yīng)在一定條件下達到平衡時，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。計算：

①該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率；

②該條件下反應(yīng)2NH₃(g)N₂(g)＋3H₂(g)的平衡常數(shù)。

Answer 1

(1)

(2)升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物

(3)①66.7%�、�5.0×10^－3 mol²·L^－2

解析　(1)催化劑能降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)的歷程，使一個高能變過程變?yōu)閹讉�能量相對低的過程，使反應(yīng)易發(fā)生。要點是有催化劑時能量低而過程階段多了。圖見答案。

(2)加快反應(yīng)速率且增大NH₃生成量的方法是升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物。

(3)解：①設(shè)反應(yīng)過程消耗x mol N₂(g)。

　　　　　　　N₂(g)�。�　3H₂(g)2NH₃(g)

   0.60       1.60              0

  0.60－x     1.60－3x          2x

平衡時反應(yīng)體系總物質(zhì)的量＝[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x] mol＝(2.20－2x) mol

NH₃(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)＝2x÷(2.20－2x)＝

x＝0.40

N₂的平衡轉(zhuǎn)化率＝×100%＝66.7%

②設(shè)反應(yīng)2NH₃(g)N₂(g)＋3H₂(g)的平衡常數(shù)為K。平衡時，[NH₃]＝2×0.40 mol÷2.0 L＝0.40 mol·L^－1

[N₂]＝(0.60－0.40) mol÷2.0 L＝0.10 mol·L^－1

[H₂]＝(1.60－3×0.40) mol÷2.0 L＝0.20 mol·L^－1

K＝＝[(0.10 mol·L^－1)×

(0.20 mol·L^－1)³]÷(0.40 mol·L^－1)²

＝5.0×10^－3 mol²·L^－2。