Question

20．一种“人工固氮”的新方法是在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂表面与水发生反应生成NH₃：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g），进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（反应时间3h）：

T/℃	30	40	50
生成NH3量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0

请回答下列问题：
（1）该反应的平衡常数表达式为$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$．
（2）已知在所给条件下投入1molN₂和3molH₂O（l），当反应达到平衡时消耗了35kJ的热量，并收集到0.4molNH₃．则N₂的平衡转化率为20%，该反应的热化学方程式可表示为N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1．
（3）与目前广泛应用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率较慢，请提出可提高其反应速率同时增大NH₃生成量的措施升高温度、增大氮气浓度．（列出两种即可）
（4）工业合成氨的热化学方程式为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），△H=-92.4kJ•mol^-1．在某体积为10L的恒温恒容密闭容器中加入2mol N₂和4mol H₂，2min后反应达到平衡时容器内的压强是起始压强的2/3．求：
①2min内NH₃的反应速率υ（NH₃）=0.1 mol/（L•min）．
②下列有关该化学反应的说法正确的是B（填字母序号）．
A．在恒温恒压条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，平衡不移动
B．在恒温恒容条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，平衡不移动
C．实际工业生产中为提高H₂的转化率，通常通入过量的N₂，且N₂过量越多越好
D．当温度、体积相同且恒定不变时，向甲容器中通入0.5mol N₂和1.5mol H₂，乙容器中通入1mol N₂和3molH₂，后者反应放出的热量为前者的两倍．

Answer 1

分析 （1）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
（2）根据生成的氨气计算转化氮气物质的量，进而计算氮气的转化率，计算1mol氮气反应消耗的热量，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
（3）正反应为吸热反应，升高温度反应速率加快，平衡正向移动，增大反应物浓度反应速率加快，平衡正向移动；
（4）①恒温恒容下，压强之比等于物质的量之比，计算平衡时混合气体总物质的量，利用差量法计算生成氨气的物质的量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（NH₃）；
②A．在恒温恒压条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，体积增大，反应物混合物浓度降低，等效为降低压强；
B．在恒温恒容条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，反应物混合物浓度不变，平衡不移动；
C．N₂过量太多，会消增大成本；
D．乙等效为在甲平衡基础增大压强，平衡正向移动，乙中反应物转化率较大．

解答 解：（1）N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$，
故答案为：$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$；
（2）由N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g），可知转化氮气物质的量为0.4mol×$\frac{1}{2}$=0.2mol，故氮气的转化率为$\frac{0.2mol}{1mol}$×100%=20%，1mol氮气反应消耗的热量为35kJ×$\frac{1mol}{0.2mol}$=175kJ，热化学方程式为：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1，
故答案为：20%；N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1；
（3）正反应为吸热反应，升高温度反应速率加快，平衡正向移动，增大氮气的浓度反应速率加快，平衡正向移动，
故答案为：升高温度、增大氮气浓度；
（4）①恒温恒容下，压强之比等于物质的量之比，则平衡时混合气体总物质的量为6mol×$\frac{2}{3}$=4mol，则：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△n
                2          2
                2mol       6mol-4mol=2mol
则v（NH₃）=$\frac{\frac{2mol}{10L}}{2min}$=0.1 mol/（L•min），
故答案为：0.1 mol/（L•min）；
②A．在恒温恒压条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，体积增大，反应物混合物浓度降低，等效为降低压强，平衡逆向移动，故A错误；
B．在恒温恒容条件下，向上述平衡体系中通入少量氩气，反应物混合物浓度不变，平衡不移动，故B正确；
C．N₂过量太多，会消增大成本，故C错误；
D．乙等效为在甲平衡基础增大压强，平衡正向移动，乙中反应物转化率较大，则乙中反应放出的热量大于甲中的两倍，故D错误，
故选：B．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡常数、反应速率计算与影响因素、热化学方程式书写等，注意对基础知识的理解掌握．