Question

人工固氮是指将氮元素由游离态转化为化合态的过程．据报道，常温、常压、光照条件下，N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，生成的主要产物为NH₃，相应的热化学方程式为：
N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol．
Ⅰ．请在如图所示的坐标中画出上述反应在有催化剂和无催化剂两种情况下反应体系中的能量变化示意图，并进行标注（包括△H）．

Ⅱ．目前工业合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol．
回答下列问题：
（1）氢气的燃烧热△H=

-286.0

kJ/mol．
（2）在恒温恒容密闭容器中进行的合成氨反应，下列能表示达到平衡状态的是

ac

（填序号）．
a．混合气体的压强不再发生变化
b．混合气体的密度不再发生变化
c．反应容器中N₂、NH₃的物质的量的比值不再发生变化
d．单位时间内断开a个H-H键的同时形成3a个N-H键
e．三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比
（3）在恒温恒容的密闭容器中，合成氨反应的各物质浓度变化曲线如图所示．请回答下列问题：
①表示N₂ 的浓度变化的曲线是

C

（选填曲线代号“A”、“B”或“C”）．
②前25min 内，用H₂ 的浓度变化表示的化学反应平均速率是

0.12 mol?L^-1?min^-1

．
③在25min 末反应刚好达到平衡，则该温度下反应的平衡常数K=

4

27

（计算结果可用分数表示）．
若升高温度，该反应的平衡常数值将

减小

（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（4）在第25min 末，保持其它条件不变，若升高反应温度并设法保持该温度不变，在第35min末再次达到平衡．平衡移动过程中H₂ 浓度变化了1.5mol?L^-1，请你在图中画出第25min～40min NH₃浓度变化曲线．
（5）在一定温度下，将1mol N₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol．
①达平衡时，H₂的转化率α₁=

60%

．
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为α₂，当α₁+α₂=1时，则起始时n （NH₃）=

2

mol．

Answer 1

分析：Ⅰ．根据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，画出有催化剂和无催化剂两种情况下反应体系中的能量变化示意图；
Ⅱ（1）利用盖斯定律通过题中热化学方程式得出氢气的燃烧的热化学方程式；
（2）达到平衡状态，各组分浓度不变，正逆反应速率相等，据此进行分析；
（3）①根据氮气的浓度的减少是氢气减少的

1

3

进行判断；
②根据图象中的浓度变化及时间计算出用H₂的浓度变化表示的化学反应平均速率；
③根据平衡常数表达式计算出该反应的平衡常数；升高温度，平衡逆向移动，该反应的平衡常数值将减小；
（4）根据升高反应温度，平衡逆向移动，氢气的浓度增加1.5 mol?L^-1，氨气减少1 mol?L^-1，变为1.0mol?L^-1，画出第25min～40min NH₃浓度变化曲线；
（5）①设平衡时有x molN₂转化，计算出转化的氮气的物质的量，再计算出氮气的转化率；
②α₁ +α₂ =1，说明这两个反应达到平衡时的状态完全相同，即加入的氨气为2mol．

解答：解：Ⅰ．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，反应N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol在有催化剂和无催化剂两种情况下反应体系中的能量变化示意图为：
，
故答案为：
；
Ⅱ．（1）根据盖斯定律：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol（1）；
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol（2），把

1

3

×（2）-

1

3

×（1），得出H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-286.0 kJ/mol，
故答案为：-286.0；
（2）a．混合气体的压强不再发生变化，在恒温恒容密闭容器中，因为合成氨是气体分子数目减小的反应，混合气体的压强不再发生变化，说明达到平衡状态，故a正确；
b．混合气体的密度不再发生变化，因为总质量和总物质的量始终不变，混合气体的密度与平衡无关，故b错误；
c．反应容器中N₂、NH₃的物质的量的比值不再发生变化，说明各物质浓度不变，反应达到平衡状态，故c正确；
d．单位时间内断开a个H-H键的同时形成3a个N-H键，不管是否达到平衡，断开a个H-H键的同时肯定形成3a个N-H键，故d错误；
e．三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比，三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比可能只是某一时刻的比值，不能证明是否达到平衡，故d错误；
故选ac；
（3）①氮气的浓度的减少是氢气减少的

1

3

，C符合，故选C；
②根据图象可知，v（H₂）=

6.0-3.0

25

mol?L^-1?min^-1=0.12mol?L^-1?min^-1，故答案为：0.12 mol?L^-1?min^-1；
③在25 min 末反应刚好达到平衡，K=

c(NH3)2

c(N2)?c(H2)3

=

4

1×32

=

4

27

；该反应是放热反应，若升高温度，平衡逆向移动，该反应的平衡常数值将减小，
故答案为：

4

27

（或0.148、0.15）；减小；
（4）升高反应温度，平衡逆向移动，氢气的浓度增加1.5 mol?L^-1，氨气减少1 mol?L^-1，变为1.0mol?L^-1，第25min～40min NH₃浓度变化曲线为：

，故答案为：（说明：对曲线的斜率不做要求，但曲线弯的方向要考虑，这涉及到浓度对反应速率的影响问题．起点与终点要正确，达平衡的时间要一致）；
（5）①设平衡时有x molN₂转化，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始物质的量：1mol    3mol        0
变化的物质的量：x      3x         2x
平衡物质的量：1-x     3-3x        2x
列式可得：4-2x=2.8，
解得x=0.6mol，α₁ =

0.6mol

1mol

×100%=60%，
故答案为：60%；
②由α₁ +α₂ =1，说明这两个反应达到平衡时的状态完全相同，即加入的氨气为2mol，故答案为：2．

点评：本题考查较综合，涉及知识点较多，注意通过图象分析化学反应速率、化学平衡及计算问题，需要学生较强的观察能力及思维能力，难度较大．