Question

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压力1.0×10⁵ Pa、反应时间3 h）:

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

相应的热化学方程式如下：
N₂(g)+3H₂O(l)     2NH₃(g)+O₂(g)
ΔH="+765.2" kJ·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，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH₃生成量的建议：                                                  。
（3）工业合成氨的反应为N₂（g）+3H₂(g)      2NH₃(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入
0.60 mol N₂(g)和1.60 mol H₂(g),反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数（NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比）为。计算：
①该条件下N₂的平衡转化率；
②该条件下反应2NH₃（g）      N₂(g)+3H₂(g)的平衡常数。

Answer 1

（1）

(2)升温、增大N₂浓度、不断移出生成物
（3）①66.7%    ②5.0×10-3mol2·L-2

（1）催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程，使一个高能变过程变为几个能量相对低的过程，使反应易发生。要点是有催化剂时能量低而过程阶段多了。图见答案。
（2）加快反应速率且增大NH₃生成量的方法是升温、增大N₂浓度、不断移出生成物。
（3）解：①设反应过程消耗xmolN₂(g)。
N₂（g）+3H₂(g)        2NH₃(g)
起始物质的量/mol       0.60    1.60            0
平衡物质的量/mol       0.60-x  1.60-3x          2x
平衡时反应体系总物质的量=［（0.60-x）+(1.60-3x)+2x］mol="(2.20-2x)" mol
NH₃(g)的物质的量分数=2x÷(2.20-2x)=4/7
x=0.40
N₂的平衡转化率=×100%=66.7%
②设反应2NH₃（g）      N₂(g)+3H₂(g)的平衡常数为K。平衡时，c(NH₃)=2×0.40 mol÷2.0 L=
0.40 mol·L^-1c(N₂)="(0.60-0.40)" mol÷2.0 L="0.10" mol·L^-1
c(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^-3mol²·L^-2