Question

20．一種“人工固氮”的新方法是在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑表面與水發生反應生成NH₃：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g），進一步研究NH₃生成量與溫度的關系，部分實驗數據見下表（反應時間3h）：

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

請回答下列問題：
（1）該反應的平衡常數表達式為$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$．
（2）已知在所給條件下投入1molN₂和3molH₂O（l），當反應達到平衡時消耗了35kJ的熱量，并收集到0.4molNH₃．則N₂的平衡轉化率為20%，該反應的熱化學方程式可表示為N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1．
（3）與目前廣泛應用的工業合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率較慢，請提出可提高其反應速率同時增大NH₃生成量的措施升高溫度、增大氮氣濃度．（列出兩種即可）
（4）工業合成氨的熱化學方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），△H=-92.4kJ•mol^-1．在某體積為10L的恒溫恒容密閉容器中加入2mol N₂和4mol H₂，2min后反應達到平衡時容器內的壓強是起始壓強的2/3．求：
①2min內NH₃的反應速率υ（NH₃）=0.1 mol/（L•min）．
②下列有關該化學反應的說法正確的是B（填字母序號）．
A．在恒溫恒壓條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，平衡不移動
B．在恒溫恒容條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，平衡不移動
C．實際工業生產中為提高H₂的轉化率，通常通入過量的N₂，且N₂過量越多越好
D．當溫度、體積相同且恒定不變時，向甲容器中通入0.5mol N₂和1.5mol H₂，乙容器中通入1mol N₂和3molH₂，后者反應放出的熱量為前者的兩倍．

Answer 1

分析 （1）化學平衡常數是指：一定溫度下，可逆反應到達平衡時，生成物的濃度系數次冪之積與反應物的濃度系數次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學平衡常數中寫出；
（2）根據生成的氨氣計算轉化氮氣物質的量，進而計算氮氣的轉化率，計算1mol氮氣反應消耗的熱量，注明物質的聚集狀態與反應熱書寫熱化學方程式；
（3）正反應為吸熱反應，升高溫度反應速率加快，平衡正向移動，增大反應物濃度反應速率加快，平衡正向移動；
（4）①恒溫恒容下，壓強之比等于物質的量之比，計算平衡時混合氣體總物質的量，利用差量法計算生成氨氣的物質的量，再根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（NH₃）；
②A．在恒溫恒壓條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，體積增大，反應物混合物濃度降低，等效為降低壓強；
B．在恒溫恒容條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，反應物混合物濃度不變，平衡不移動；
C．N₂過量太多，會消增大成本；
D．乙等效為在甲平衡基礎增大壓強，平衡正向移動，乙中反應物轉化率較大．

解答 解：（1）N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）的平衡常數表達式K=$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$，
故答案為：$\frac{[N{H}_{3}]^{2}×[{O}_{2}]^{\frac{3}{2}}}{[{N}_{2}]×[{H}_{2}O]^{3}}$；
（2）由N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g），可知轉化氮氣物質的量為0.4mol×$\frac{1}{2}$=0.2mol，故氮氣的轉化率為$\frac{0.2mol}{1mol}$×100%=20%，1mol氮氣反應消耗的熱量為35kJ×$\frac{1mol}{0.2mol}$=175kJ，熱化學方程式為：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1，
故答案為：20%；N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+175.0kJ•mol^-1；
（3）正反應為吸熱反應，升高溫度反應速率加快，平衡正向移動，增大氮氣的濃度反應速率加快，平衡正向移動，
故答案為：升高溫度、增大氮氣濃度；
（4）①恒溫恒容下，壓強之比等于物質的量之比，則平衡時混合氣體總物質的量為6mol×$\frac{2}{3}$=4mol，則：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△n
                2          2
                2mol       6mol-4mol=2mol
則v（NH₃）=$\frac{\frac{2mol}{10L}}{2min}$=0.1 mol/（L•min），
故答案為：0.1 mol/（L•min）；
②A．在恒溫恒壓條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，體積增大，反應物混合物濃度降低，等效為降低壓強，平衡逆向移動，故A錯誤；
B．在恒溫恒容條件下，向上述平衡體系中通入少量氬氣，反應物混合物濃度不變，平衡不移動，故B正確；
C．N₂過量太多，會消增大成本，故C錯誤；
D．乙等效為在甲平衡基礎增大壓強，平衡正向移動，乙中反應物轉化率較大，則乙中反應放出的熱量大于甲中的兩倍，故D錯誤，
故選：B．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡常數、反應速率計算與影響因素、熱化學方程式書寫等，注意對基礎知識的理解掌握．