Question

3．合成氨反应原理为：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol．在500℃，20MPa时，将N₂和H₂通入到一定体积的密闭容器中，反应过程中各物质的物质的量变化如图所示：
（1）在10～20min内NH₃浓度变化的原因可能是a（填字母）．
a．加了催化剂 b．降低温度c．增加NH₃物质的量
（2）该可逆反应达到平衡的标志是ce（填字母）．
a．a mol N≡N键断裂的同时，有6a mol N-H键合成
b．混合气体的密度不再随时间变化
c．容器内的总压强不再随时间而变化
d．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2
e．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂
（3）在反应进行到25min时，曲线发生变化的原因是移走了生成的氨气（或减小了氨气的浓度）．
（4）据报道，一定条件下甲烷还原Fe₂O₃得到的“纳米级”金属铁，可用作合成氨反应的催化剂．其反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g） 该反应在5L的密闭容器中进行，2min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少48g．则
该段时间内H₂的平均反应速率为0.18mol•（L•min）^-1．

Answer 1

分析 （1）根据图象知，平衡向正反应方向移动，10min时是连续的，三种气体物质的速率增加倍数相同，说明为使用催化剂；
（2）反应N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃
a．a mol N≡N键断裂的同时，有6a mol N-H键形成，方向相同，不能作为平衡的判断，故错误；
b．混合气体的质量不变，气体的物质的量变化，故密度为变量，若密度不再随时间变化，说明平衡，故正确；
c．容器内前后气体的物质的量有变化，说明压强时变量，总压强不再随时间而变化，说明平衡，故正确；
d．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2任何时刻都成立，故错误；
e．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂，方向相反成正比例，故正确；
（3）25分钟，NH₃的物质的量突然减少，而H₂、N₂的物质的量不变，说明应是分离出NH₃；
（4）n（Fe₂O₃）=$\frac{48g}{160g/mol}$=0.3mol，根据方程式知，有0.3mol氧化铁参加反应时有1.8mol氢气生成，根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算该段时间内氢气平均反应速率．

解答 解：（1）由图可知，0-10分钟内△n（N₂）=0.025mol×2=0.05mol；10-20分钟内△n′（N₂）=0.025mol×4=0.1mol，速率之比等于物质的量之比，所以，0-10分钟与10到20分钟两个时间段中，N₂的反应速率之比为0.05mol：0.1mol=1：2；由图象可知各组分物质的量变化增快，且10min时变化是连续的，20min达平衡时，△n′（N₂）=0.025mol×4=0.1mol，△n（H₂）=0.025mol×12=0.3mol，△n（NH₃）=0.025mol×8=0.2mol，物质的量变化之比等于化学计量数之比，三种气体物质的速率增加倍数相同，说明10min可能改变的条件是使用催化剂，故答案为：a；
（2）反应N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃
a．a mol N≡N键断裂的同时，有6a mol N-H键形成，方向相同，不能作为平衡的判断，故错误；
b．混合气体的质量不变，气体的体积不变，故密度不变，若密度不再随时间变化，不能说明平衡，故错误；
c．容器内前后气体的物质的量有变化，说明压强时变量，总压强不再随时间而变化，说明平衡，故正确；
d．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2任何时刻都成立，故错误；
e．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂，方向相反成正比例，故正确；
故答案为：ce；
（3）第25分钟，NH₃的物质的量突然减少，而H₂、N₂的物质的量不变，说明应是分离出NH₃，故答案为：移走了生成的氨气（或减小了氨气的浓度）；
（4）n（Fe₂O₃）=$\frac{48g}{160g/mol}$=0.3mol，根据方程式知，有0.3mol氧化铁参加反应时有1.8mol氢气生成，根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$，v（H₂）=$\frac{\frac{1.8mol}{5L}}{2min}$═0.18mol•（L•min）^-1，
故答案为：0.18mol•（L•min）^-1．

点评 本题考查化学反应速率、化学平衡的计算、平衡移动以及平衡状态的判断，题目难度中等，注意对图象的分析．