Question

12．科學家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法．曾有實驗報道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發(fā)生反應，生成的主要產物為NH₃．進一步研究NH₃生成量與溫度的關系，部分實驗數(shù)據(jù)見下表（光照、N₂、壓強1.0×10⁵ Pa、反應時間3h）：

T/℃	30	40	50	60
NH3生成量/10-6 mol	4.8	5.9	6.0	6.1

相應的熱化學方程式：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+765.2kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）請畫出上述反應在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應過程中體系能量變化的示意圖，并進行必要標注．

（2）與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法固氮反應速率慢．請?zhí)岢隹商岣咂浞磻�速率且增大NH₃生成量的建議：升高溫度，增大反應物N₂的濃度，不斷移出生成物脫離反應體系．
（3）工業(yè)合成氨的反應為N₂（g）+3H₂（g）高溫、高壓催化劑
2NH₃（g）．設在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60mol N₂（g）和1.60mol H₂（g），反應在一定條件下達到平衡時，NH₃的物質的量分數(shù)為$\frac{4}{7}$．
①該條件下N₂的平衡轉化率為66.7%
②該條件下反應2NH₃（g）高溫、高壓催化劑N₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)為0.005．

Answer 1

分析 （1）催化劑是通過降低反應的活化能來加快化學反應速率的；
（2）平衡向正反應移動可增大氨氣的產生量；升高溫度，增大反應物濃度等可以增大反應速率；
（3）令參加反應的氮氣的物質的量為nmol，根據(jù)三段式用n表示出各組分的物質的量的變化量、平衡時各組分的物質的量．在根據(jù)NH₃的物質的量分數(shù)，列方程計算n的值；
①根據(jù)轉化率的定義計算該條件下N₂的平衡轉化率；
②平衡常數(shù)指生成物濃度的系數(shù)次冪之積與反應物濃度系數(shù)次冪之積的比值，平衡常數(shù)k=$\frac{c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）•c（N{\;}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，相同溫度下，同一可逆反應的正逆平衡常數(shù)互為倒數(shù)關系．

解答 解：（1）催化劑是通過降低反應的活化能來加快化學反應速率的，使用催化劑后，活化能降低，圖象為，
故答案為：；
（2）該反應正反應是吸熱反應，升高溫度，使化學平衡向正反應方向移動，從而增大NH₃生成量，升高溫度也能提高反應速率；增大反應N₂濃度，加快反應速率，并使化學平衡向右移動；不斷移出生成物脫離反應體系，使平衡向右移動，增大NH₃生成量，
故答案為：升高溫度，增大反應物N₂的濃度，不斷移出生成物脫離反應體系；
（3）對于反應N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）
開始（mol）：0.6     1.6               0
變化（mol）：n       3n                2n
平衡（mol）：0.6-n   1.6-3n            2n
所以 $\frac{2nmol}{（0.6-n）mol+（1.6-3n）mol+2nmol}$=$\frac{4}{7}$，解得n=0.4，
①由三段式解題法計算可知，平衡時參加反應的氮氣的物質的量為0.4mol，
起始時，氮氣的物質的量為0.6mol，
所以該條件下N₂的平衡轉化率為 $\frac{0.4mol}{0.6mol}$×100%=66.7%，
故答案為：66.7%；
②由三段式解題法計算可知，平衡時，c（N₂）=$\frac{（0.6-0.4）mol}{2L}$=0.1mol/l；c（H₂）=$\frac{（1.6-3×0.4）mol}{2L}$=0.2mol/l； c（NH₃）=$\frac{2×0.4mol}{2L}$=0.4mol/l．
所以該條件下反應2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)k=$\frac{c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）•c（N{\;}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$=$\frac{0.2{\;}^{3}×0.1}{0.4{\;}^{2}}$=0.005，
故答案為：0.005．

點評 本題考查平衡移動與計算、平衡常數(shù)等，難度不大，注意三段式解題法的利用．