Question

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，部分實驗數據見下表（光照、N₂壓力1.0×10⁵ Pa、反應時間3 h）:

T/K	303	313	323	353
NH3生成量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

相應的熱化學方程式如下：

N₂(g)+3H₂O(l)     2NH₃(g)+O₂(g)

ΔH=+765.2 kJ·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示意圖，并進行必要標注。

（2）與目前廣泛使用的工業合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率慢。請提出可提高其反應速率且增大NH₃生成量的建議：                                                   。

（3）工業合成氨的反應為N₂（g）+3H₂(g)      2NH₃(g)。設在容積為2.0 L的密閉容器中充入

0.60 mol N₂(g)和1.60 mol H₂(g),反應在一定條件下達到平衡時，NH₃的物質的量分數（NH₃的物質的量與反應體系中總的物質的量之比）為。計算：

①該條件下N₂的平衡轉化率；

②該條件下反應2NH₃（g）      N₂(g)+3H₂(g)的平衡常數。

Answer 1

（1）

 (2)升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物

（3）①66.7%     ②5.0×10-3mol2·L-2

解析:

（1）催化劑能降低反應的活化能，改變反應的歷程，使一個高能變過程變為幾個能量相對低的過程，使反應易發生。要點是有催化劑時能量低而過程階段多了。圖見答案。

（2）加快反應速率且增大NH₃生成量的方法是升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物。

（3）解：①設反應過程消耗xmolN₂(g)。

N₂（g）+3H₂(g)        2NH₃(g)

起始物質的量/mol       0.60    1.60            0

平衡物質的量/mol       0.60-x  1.60-3x          2x

平衡時反應體系總物質的量=［（0.60-x）+(1.60-3x)+2x］mol=(2.20-2x) mol

NH₃(g)的物質的量分數=2x÷(2.20-2x)=4/7

x=0.40

N₂的平衡轉化率=×100%=66.7%

②設反應2NH₃（g）      N₂(g)+3H₂(g)的平衡常數為K。平衡時，c(NH₃)=2×0.40 mol÷2.0 L=

0.40 mol·L^-1c(N₂)=(0.60-0.40) mol÷2.0 L=0.10 mol·L^-1

c(H₂)=(1.60-3×0.40) mol÷2.0 L=0.20 mol·L^-1

K==［(0.10 mol·L^-1?)×（0.20 mol·L^-1）³］÷(0.40 mol·L^-1)²

=5.0×10^-3mol²·L^-2