Question

12．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法．曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂（掺有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面与水发生反应，生成的主要产物为NH₃．进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（光照、N₂、压强1.0×10⁵ Pa、反应时间3h）：

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

相应的热化学方程式：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+765.2kJ•mol^-1
回答下列问题：
（1）请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化的示意图，并进行必要标注．

（2）与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法固氮反应速率慢．请提出可提高其反应速率且增大NH₃生成量的建议：升高温度，增大反应物N₂的浓度，不断移出生成物脱离反应体系．
（3）工业合成氨的反应为N₂（g）+3H₂（g）高温、高压催化剂
2NH₃（g）．设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol N₂（g）和1.60mol H₂（g），反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数为$\frac{4}{7}$．
①该条件下N₂的平衡转化率为66.7%
②该条件下反应2NH₃（g）高温、高压催化剂N₂（g）+3H₂（g）的平衡常数为0.005．

Answer 1

分析 （1）催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的；
（2）平衡向正反应移动可增大氨气的产生量；升高温度，增大反应物浓度等可以增大反应速率；
（3）令参加反应的氮气的物质的量为nmol，根据三段式用n表示出各组分的物质的量的变化量、平衡时各组分的物质的量．在根据NH₃的物质的量分数，列方程计算n的值；
①根据转化率的定义计算该条件下N₂的平衡转化率；
②平衡常数指生成物浓度的系数次幂之积与反应物浓度系数次幂之积的比值，平衡常数k=$\frac{c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）•c（N{\;}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，相同温度下，同一可逆反应的正逆平衡常数互为倒数关系．

解答 解：（1）催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的，使用催化剂后，活化能降低，图象为，
故答案为：；
（2）该反应正反应是吸热反应，升高温度，使化学平衡向正反应方向移动，从而增大NH₃生成量，升高温度也能提高反应速率；增大反应N₂浓度，加快反应速率，并使化学平衡向右移动；不断移出生成物脱离反应体系，使平衡向右移动，增大NH₃生成量，
故答案为：升高温度，增大反应物N₂的浓度，不断移出生成物脱离反应体系；
（3）对于反应N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）
开始（mol）：0.6     1.6               0
变化（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由三段式解题法计算可知，平衡时参加反应的氮气的物质的量为0.4mol，
起始时，氮气的物质的量为0.6mol，
所以该条件下N₂的平衡转化率为 $\frac{0.4mol}{0.6mol}$×100%=66.7%，
故答案为：66.7%；
②由三段式解题法计算可知，平衡时，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．
所以该条件下反应2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）的平衡常数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，
故答案为：0.005．

点评 本题考查平衡移动与计算、平衡常数等，难度不大，注意三段式解题法的利用．