Question

工業用氨氧化法制硝酸，反應過程為：N₂、H₂→NH₃→NO→NO₂→HNO₃，如圖是工業生產硝酸的流程，合成塔中內置催化劑，請回答下列問題．

（1）1909年化學家哈伯在實驗室首次合成了氨，2007化學家格哈德埃德爾在哈伯研究所證實了氫氣與氮氣在固體催化劑表面合成氨的反應過程，示意圖如下：

、、分別表示N₂、H₂、NH₃，圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，則圖③的含義是

 

．
（2）合成氨反應的化學方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），寫出該反應的化學平衡常數表達式：K=

 

．
（3）一定條件下，將H₂和N₂按3：1（體積比）混合后進入合成塔，反應達到平衡時，平衡混合氣中NH₃的體積分數為15%，此時H₂的轉化率為

 

．
（4）已知拆開1molH-H鍵、1molN-H鍵、1molN≡N鍵分別需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，則N₂與H₂反應生成NH₃的熱化學方程式為

 

．
（5）吸收塔中通入空氣的目的是

 

．
（6）工業上合成氨要先找合適的催化劑，在其他條件相同的情況下，分別對X、Y、Z三種催化劑進行如下實驗：
①X在T₁℃時催化效率最高，可使反應速率加快約3×10⁵倍；
②Y在T₂℃時催化效率最高，可使反應速率加快約3×10⁵倍；
③Z在T₃℃時催化效率最高，可使反應速率加快約1×10⁶倍；
已知T₁＞T₂＞T₃，根據上述信息，你認為在生產中應該選擇的適宜催化劑是

 

，選擇的理由是

 

．

Answer 1

考點：化學平衡的調控作用,化學平衡常數的含義,化學平衡的影響因素,化學平衡的計算

專題：化學平衡專題

分析：（1）圖③則表示在催化劑表面，N₂、H₂中的化學鍵斷裂；
（2）化學平衡常數是：在特定物理條件下（如溫度、壓力、溶劑性質、離子強度等），可逆化學反應達到平衡狀態時生成物與反應物的濃度比或反應物與反應產物的濃度比．用符號“K”表示；
 （3）根據反應方程式 N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），設參加反應的氫氣的物質的量xmol，原混合氣體中 H₂ 和N₂ 按3：1（體積之比）混合，物質的量之比也是3：1，設氫氣3nmol，氮氣nmol，列式求算即可；
（4）根據反應熱=反應物鍵能-生成物鍵能，進而得到氨催化氧化的熱化學方程式；
（5）氮的氧化物與氧氣和水可以生成硝酸；
（6）根據提供一定的溫度與反應速率加快的倍數的關系作判斷；

解答： 解：（1）分析題中圖可以知道，圖③表示在催化劑表面，N₂、H₂中化學鍵斷裂，
故答案為：在催化劑表面，N₂、H₂中的化學鍵斷裂；
（2）化學平衡常數是：在特定物理條件下（如溫度、壓力、溶劑性質、離子強度等），可逆化學反應達到平衡狀態時生成物與反應物的濃度比或反應物與反應產物的濃度比．根據以上概念可以寫出該反應的化學平衡常數表達式 K=

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

，故答案為：

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

；
（3）反應方程式：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），設參加反應的氫氣的物質的量xmol，原混合氣體中 H₂ 和N₂ 按3：1（體積之比）混合，物質的量之比也是3：1，設氫氣3nmol，氮氣nmol，則參加反應的氮氣的物質的量為x/3mol，生成的氨氣為2x/3mol，列式：

2x 3

n- x 3 +3n+ 2x 3

=15%，解得x≈0.78nmol，H₂ 的轉化率為：0.78nmol÷3nmol×100%=26%，故答案為：26%；
（4）根據反應熱=反應物鍵能-生成物鍵能，△H=946kJ+3×436kJ-6×391kJ=-92kJ，所以熱化學方程為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol，故答案為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol；
（5）氮的氧化物與氧氣和水可以生成硝酸，可以使其中的一氧化氮循環利用，全部轉化為硝酸，
故答案為：使一氧化氮循環利用，全部轉化為硝酸；
（6）比較題中三組數據可知，溫度越高耗能就越高，根據溫度與反應速率提高的倍數關系可知，Z中反應速率提高最大，也就催化效率最高，且所需溫度低，故選Z，故答案為：Z；Z的催化效率最高，且所需溫度低；

點評：本題以硝酸的工業制備為背景，綜合考查對化學反應中化學鍵變化、熱化學方程式、化學平衡常數、轉化率計算等考點以及對圖形的觀察能力、推理能力．