Question

科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)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(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃。進(jìn)一步研究NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表（光照、N₂壓力1.0×10⁵ Pa、反應(yīng)時(shí)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(yīng)的熱化學(xué)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(qǐng)?jiān)诖痤}卡的坐標(biāo)圖中，畫出上述反應(yīng)在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應(yīng)過程中體系能量變化示意圖，并進(jìn)行必要標(biāo)注。

（2）與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法中固氮反應(yīng)速率慢。請(qǐng)?zhí)岢隹商岣咂浞磻?yīng)速率且增大NH₃生成量的建議：_______________________________。

（3）工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）。設(shè)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(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡時(shí)，NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（NH₃的物質(zhì)的量與反應(yīng)體系中總的物質(zhì)的量之比）為。計(jì)算

①該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率；

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

Answer 1

（1）畫圖略,要點(diǎn)：

①催化劑可降低反應(yīng)的活化能，但對(duì)各反應(yīng)前后能量變化并不產(chǎn)生任何影響。

②該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以反應(yīng)物的總能量要低于生成物的總能量。

（2）升高溫度，增大反應(yīng)物N₂的濃度，不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系

（3）①該條件下N₂的平衡轉(zhuǎn)化率：66.7%；

②該條件下反應(yīng)2NH₃（g）N₂(g)+3H₂(g)的平衡常數(shù)為0.005。

解析：（2）該反應(yīng)正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，從而增大NH₃生成量，升高溫度也能提高反應(yīng)速率；增大反應(yīng)物N₂濃度，加快反應(yīng)速率，并使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，不斷移出生成物脫離反應(yīng)體系，使平衡向右移動(dòng)，增大NH₃生成量。

（3）由三行式法計(jì)算可知，起始時(shí)，c(N₂)=0.3 mol·L^-1，平衡時(shí)，c（N₂）=0.1 mol·L^-1；c（H₂）=0.2 mol·L^-1；c（NH₃）=0.4 mol·L^-1。

①所以N₂的平衡轉(zhuǎn)化率=（0.3-0.1）mol/0.3 mol×100%=66.7%；

②反應(yīng)2NH₃(g)N₂(g)+3H₂(g)的平衡常數(shù)K=c（N₂）×c³(H₂)/c²(NH₃)=0.005。