Question

12．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)時間3h）：

T/℃	30	40	50	60
NH3生成量/10-6 mol	4.8	5.9	6.0	6.1

相應(yīng)的熱化學(xué)方程式：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$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：升高溫度，增大反應(yīng)物N₂的濃度，不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系．
（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，NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為$\frac{4}{7}$．
①該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率為66.7%
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)為0.005．

Answer 1

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）平衡向正反應(yīng)移動可增大氨氣的產(chǎn)生量；升高溫度，增大反應(yīng)物濃度等可以增大反應(yīng)速率；
（3）令參加反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為nmol，根據(jù)三段式用n表示出各組分的物質(zhì)的量的變化量、平衡時各組分的物質(zhì)的量．在根據(jù)NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，列方程計(jì)算n的值；
①根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義計(jì)算該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率；
②平衡常數(shù)指生成物濃度的系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪之積的比值，平衡常數(shù)k=$\frac{c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）•c（N{\;}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，相同溫度下，同一可逆反應(yīng)的正逆平衡常數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系．

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，圖象為，
故答案為：；
（2）該反應(yīng)正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而增大NH₃生成量，升高溫度也能提高反應(yīng)速率；增大反應(yīng)N₂濃度，加快反應(yīng)速率，并使化學(xué)平衡向右移動；不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系，使平衡向右移動，增大NH₃生成量，
故答案為：升高溫度，增大反應(yīng)物N₂的濃度，不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系；
（3）對于反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）
開始（mol）：0.6     1.6               0
變化（mol）：n       3n                2n
平衡（mol）：0.6-n   1.6-3n            2n
所以 $\frac{2nmol}{（0.6-n）mol+（1.6-3n）mol+2nmol}$=$\frac{4}{7}$，解得n=0.4，
①由三段式解題法計(jì)算可知，平衡時參加反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為0.4mol，
起始時，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為0.6mol，
所以該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率為 $\frac{0.4mol}{0.6mol}$×100%=66.7%，
故答案為：66.7%；
②由三段式解題法計(jì)算可知，平衡時，c（N₂）=$\frac{（0.6-0.4）mol}{2L}$=0.1mol/l；c（H₂）=$\frac{（1.6-3×0.4）mol}{2L}$=0.2mol/l； c（NH₃）=$\frac{2×0.4mol}{2L}$=0.4mol/l．
所以該條件下反應(yīng)2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)k=$\frac{c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）•c（N{\;}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$=$\frac{0.2{\;}^{3}×0.1}{0.4{\;}^{2}}$=0.005，
故答案為：0.005．

點(diǎn)評 本題考查平衡移動與計(jì)算、平衡常數(shù)等，難度不大，注意三段式解題法的利用．