Question

合成氨工廠通常測定反應前后混合氣體的密度來確定氮氣的轉化率。某工廠測得進入合成塔的N₂和H₂混合氣體的密度為0.553 6 g·L^-1（標準狀況），從合成塔出來的混合氣體在相同條件下的密度為0.693 g·L^-1。求該合成氨廠N₂的轉化率。

Answer 1

設N₂和H₂起始時的總量為1 mol，其中N₂的物質的量為x，H₂有1 mol-x，則有28 g·mol^-1·x+2 g·mol^-1(1 mol-x)=0.5536 g·L^-1×22.4 L。解之得x=0.4 L，即起始時N₂有0.4 mol，H₂有0.6 mol。

設0.4 mol N₂中轉化為NH₃的物質的量為y。

                 N₂    +   3H₂  2NH₃

起始量   0.4 mol     0.6 mol            0

變化量        y             3y                 2y

平衡量   0.4 mol-y  0.6 mol-3y       2y

平衡時，平衡混合氣體總量為：

n(總）=0.4 mol-y+0.6 mol-3y+2y=1 mol-2y

根據質量守恒定律得：1 mol×0.553 6 g·L^-1×22.4 L·mol^-1=(1 mol-2y)×0.693 g·L^-1×22.4 L·mol^-1

解之得：y=0.1 mol，所以N₂的轉化率為×100%=25%。

解析：根據混合氣體的密度，可求出其平均相對分子質量，即能求出各組分的體積比，也可根據各組分的體積而求出其平均相對分子質量。