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、压强1.0×10⁵ Pa、反应时间3h）：

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）+

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：（写两点）

 

；

 

．
（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（NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比）为

4

7

．
计算：①该条件下N₂的平衡转化率为

 

（保留一位小数）．
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

 

．
③若反应温度不变，假如在容积为2.0L的密闭容器中起始充入0.40mol N₂（g）和0.40mol H₂（g），反应3min时测得体系压强为原来的

3

4

，这段时间H₂的平均反应速率为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,合成氨条件的选择,探究浓度、催化剂对化学平衡的影响

专题：

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）根据影响化学反应速率和化学平衡移动的因素来回答；
（3）利用化学平衡“三段式法”来分析计算
①转化率=

反应的物质的量

加入的总物质的量

×100%；
②化学平衡常数K=

生成物浓度系数幂次方

反应物浓度系数幂次方

；
③利用v=

△c

△t

计算．

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，故答案为：；
（2）要提高其反应速率且增大NH₃生成量，根据影响反应速率的因素：温度、浓度、压强、催化剂等外界因素，和影响平衡移动的因素，结合目前广泛使用的工业合成氨方法，可以采用增大压强、适当增大温度、增大氮气用量的方法，故答案为：适当增大温度；适当增大压强；
（3）①设平衡时有x molN₂转化
              N₂（g）+3H₂（g））?2NH₃（g）
起始物质的量：0.6mol 1.6mol        0
变化的物质的量：x    3x           2x
平衡物质的量：（0.6-x）mol （1.6-3x）mol 2x mol
则有：

2xmol

(2.2-2x)mol

=

4

7

解得：x=0.4（mol）
故N₂的平衡转化率：

0.4mol

0.6mol

×100%=66.7%，
故答案为：66.7%；
②由①可知，N₂、H₂、NH₃平衡时的物质的量分别为：0.2mol、0.4mol、0.8mol，
在2.0L容器中浓度分别为：0.1mol/L、0.2mol/L、0.4mol/L，
K=

[N2]?[H2]3

[NH3]2

=

0.1mol/L×(0.2mol/L)3

(0.4mol/L)2

=5.0×10^-3mol²/L²，
故答案为：5.0×10^-3mol²/L²；
③设平衡时有x molN₂转化
              N₂（g）+3H₂（g））?2NH₃（g）
起始物质的量：0.4mol      0.4mol        0
变化的物质的量：x         3x            2x
平衡物质的量：（0.4-x）mol （0.4-3x）mol 2x mol
则有：

0.8-2x

0.8

=

3

4

，解得x=0.1，
v（H₂）=

△n V

△t

=

0.1mol×3 2L

3min

=0.05mol/（L?min），故答案为：0.05mol/（L?min）．

点评：本题考查学生化学平衡和化学反应速率的有关知识，综合性较强，难度较大．