15. 在实验室进行工业合成氨的模拟实验:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0
当反应达到平衡后,分离出氨,并补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气,以实现连续生产,各组分物质的量和时间的关系如下图所示。

(1)起始时刻氮气与氢气的物质的量之比n(N2)∶n(H2)=________。反应开始至15
min时第一次达到平衡,容器体积为1 L,这段时间内,以NH3的浓度变化表示的平均反应速率是________。
(2)写出代表H2的曲线在下列时刻的坐标并在图上画出t1-t2间的曲线:
t1补充原料气之后:(________,________);t2处于平衡状态时:(________,________)。
(3)第一次达平衡时H2的转化率是________。
以t1补充原料气之后为起始状态,第二次达到平衡时H2的转化率是________。
以这样的氮气和氢气的物质的量之比补充原料气,试计算经济上是否合算?
解析:(1)观察图像的起点,氮气为1.00 mol,氢气为3.30 mol,其比值为:1∶3.3;纵坐标每小格为0.20 mol,则v(NH3)=0.20 mol/(1 L×15 min)=0.013 3 mol/(L·min)。
(2)第一次平衡时,氮气的物质的量为0.90 mol,在t1时,加入氮气应为0.10 mol,再根据“补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气”,可求出应加入的氢气的物质的量为:0.10 mol×3.3=0.33 mol,而第一次平衡时,氢气为3.00 mol,故t1补充原料气之后的坐标为(25,3.33);第二次平衡时,生成氨气仍为0.20 mol,消耗的氢气为0.30 mol、氮气为0.10 mol,故平衡气体中,氢气的物质的量为(3.33-0.30) mol,t2处于平衡状态时的坐标为(50,3.03)。
(3)第一次平衡时氢气的转化率为:(0.30 mol/3.30 mol)×100%=9.09%;
第二次平衡时氢气的转化率为:(0.30 mol/3.33 mol)×100%=9.01%;第二次的转化率低,不合算。
答案:(1)1∶3.3 0.013
3 mol/(L·min)
(2)(25,3.33) (50,3.03)(右图)

(3)9.09% 9.01% 不合算