Question

在實驗室中進行合成氨工業的模擬實驗，當反應進行一段時間并建立平衡以后，及時分離出氨并補充與起始原料比相同的氮氣和氫氣，以實現連續的生產過程，一定條件下在1L的密閉容器中發生如下反應：
N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）；ΔH＜0

請根據圖示回答下列問題：
（1）反應起始時，氮氣與氫氣的物質的量之比n（N₂）∶n（H₂）＝______。在15min時合成氨反應第一次達到平衡，以這段時間內H₂的濃度變化表示的平均化學反應速率為________。
（2）在t₁時，曲線發生變化的原因是_________________、________________。請計算氫氣在t₁起點時的坐標（_______，______）以及在t₂平衡時的坐標（____，____）。
（3）為達到圖示中t₂時的平衡狀態，在t₁～t₂之間需要采取的措施是___________________。
A.擴大容器的容積   B.升高溫度   C.降低溫度   D.縮小容器的容積
（4）經歷十次上述的循環過程，計算在t₁₁平衡時，N₂和H₂的物質的量之比n（N₂）∶n（H₂）＝_____________，整個過程中N₂和H₂的總轉化率之比α（N₂）∶α（H₂）＝_________。

Answer 1

（1）1∶3.3；       0.02mol?L^－1?min^－1
（2）分離氨氣；    補充物質的量之比為1∶3.3的氮氣和氫氣；   25；    3.33；   50；   3.03
（3）AB
（4）3∶11；    11∶10
【試題分析】
解析：這是一道以合成氨工業生產為背景，涉及化學反應速率的計算、反應過程中濃度的計算、轉化率的計算、圖像的觀察和數據的采用等，是一道高度綜合的試題。
（1）從題目所給的圖可以得出，反應起始時氮氣與氫氣的物質的量之比為1∶3.3。在15min時合成氨反應第一次達到平衡，這段時間以H₂的濃度變化表示的平均化學反應速率為v（H₂）＝＝0.02mol?L^－1?min^－1。
（2）從圖中可以看出，在t₁時刻NH₃的物質的量突然降為0，而N₂和H₂的物質的量又達到起始加入量，可見在t₁時，曲線發生變化的原因是分離氨氣、補充物質的量之比為1∶3.3的氮氣和氫氣。
由（1）可知15min中消耗了0.1molN₂，再由圖可知，體系中補充了0.1molN₂，則必補充H₂的量為0.1×3.3mol=0.33mol（與起始比例相同），此時，氫氣的量為3.3mol-0.3mol+0.33mol=3.33mol，故t₁時氫氣的坐標為（25，3.33）；到t₂平衡時，又消耗了0.3mol氫氣，容器中氫氣的物質的量為3.33mol-0.3mol=3.03mol，t₂平衡時氫氣的坐標為（50，3.03）。
（3）根據圖示可知，在t₁時刻，N₂的物質的量增大，然后又逐漸減小，NH₃的物質的量逐漸增大，在t₂時刻又建立新的平衡，說明平衡向逆反應方向移動，根據可逆反應：N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）；H<0，可知通過升溫或擴大容器的容積（減壓）平衡即可向逆反應方向移動。
（4）根據圖示可知，N₂在每次平衡投料后的起始量均為1.0mol，消耗量均為0.1mol，故每次循環后，需投入0.1molN₂。根據N₂和H₂的投料比為1∶3.3，可得每次需投入0.33molH₂，故在t₁₁平衡時共投入N₂的物質的量為（1mol+0.1mol×10）＝2mol，H₂為（3.3mol+0.33mol×10）＝6.6mol。每次循環生成（分離）NH₃為0.2mol，共生成NH₃的物質的量為0.2mol×11＝2.2mol。根據反應：N₂（g） + 3H₂（g）2NH₃（g），可得消耗N₂的總量為1.1mol，消耗H₂的總量為3.3mol。在t₁₁平衡時，剩余H₂為（6.6mol－3.3mol）＝3.3mol，剩余N₂為（2mol－1.1mol）＝0.9mol，即n（N₂）∶n（H₂）＝0.9mol∶3.3mol＝3∶11。整個過程中H₂和N₂的轉化率分別為α（H₂）=×100%，α（N₂）=×100%，即得α（N₂）∶α（H₂）=11∶10。