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科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法.曾有实验报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3.进一
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科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法.曾有实验报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3.进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2、压强1.0×105 Pa、反应时间3h):
相应的热化学方程式如下:N2(g)+3H2O(l)⇌2NH3(g)+
O2(g)△H=+765.2kJ•mol-1
回答下列问题:
(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化的示意图,并进行必要标注.
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法固氮反应速率慢.请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:(写两点)______;______.
(3)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)高温、高压催化剂
2NH3(g).设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol N2(g)和1.60mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为
.
计算:①该条件下N2的平衡转化率为______(保留一位小数).
②该条件下反应2NH3(g)高温、高压催化剂N2(g)+3H2(g)的平衡常数______.
③若反应温度不变,假如在容积为2.0L的密闭容器中起始充入0.40mol N2(g)和0.40mol H2(g),反应3min时测得体系压强为原来的
,这段时间H2的平均反应速率为______.
T/K | 303 | 313 | 323 | 353 |
NH3生成量 /10-6 mol | 4.8 | 5.9 | 6.0 | 2.0 |
3 |
2 |
回答下列问题:
(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化的示意图,并进行必要标注.
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法固氮反应速率慢.请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:(写两点)______;______.
(3)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)高温、高压催化剂
2NH3(g).设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol N2(g)和1.60mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为
4 |
7 |
计算:①该条件下N2的平衡转化率为______(保留一位小数).
②该条件下反应2NH3(g)高温、高压催化剂N2(g)+3H2(g)的平衡常数______.
③若反应温度不变,假如在容积为2.0L的密闭容器中起始充入0.40mol N2(g)和0.40mol H2(g),反应3min时测得体系压强为原来的
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▼优质解答
答案和解析
(1)催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的,使用催化剂后,活化能降低,故答案为:;
(2)要提高其反应速率且增大NH3生成量,根据影响反应速率的因素:温度、浓度、压强、催化剂等外界因素,和影响平衡移动的因素,结合目前广泛使用的工业合成氨方法,可以采用增大压强、适当增大温度、增大氮气用量的方法,故答案为:适当增大温度;适当增大压强;
(3)①设平衡时有x molN2转化
N2(g)+3H2(g))⇌2NH3(g)
起始物质的量:0.6mol 1.6mol 0
变化的物质的量:x 3x 2x
平衡物质的量:(0.6-x)mol (1.6-3x)mol 2x mol
则有:
=
解得:x=0.4(mol)
故N2的平衡转化率:
×100%=66.7%,
故答案为:66.7%;
②由①可知,N2、H2、NH3平衡时的物质的量分别为:0.2mol、0.4mol、0.8mol,
在2.0L容器中浓度分别为:0.1mol/L、0.2mol/L、0.4mol/L,
K=
=
=5.0×10-3mol2/L2,
故答案为:5.0×10-3mol2/L2;
③设平衡时有x molN2转化
N2(g)+3H2(g))⇌2NH3(g)
起始物质的量:0.4mol 0.4mol 0
变化的物质的量:x 3x 2x
平衡物质的量:(0.4-x)mol (0.4-3x)mol 2x mol
则有:
=
,解得x=0.1,
v(H2)=
=
=0.05mol/(L•min),故答案为:0.05mol/(L•min).
(2)要提高其反应速率且增大NH3生成量,根据影响反应速率的因素:温度、浓度、压强、催化剂等外界因素,和影响平衡移动的因素,结合目前广泛使用的工业合成氨方法,可以采用增大压强、适当增大温度、增大氮气用量的方法,故答案为:适当增大温度;适当增大压强;
(3)①设平衡时有x molN2转化
N2(g)+3H2(g))⇌2NH3(g)
起始物质的量:0.6mol 1.6mol 0
变化的物质的量:x 3x 2x
平衡物质的量:(0.6-x)mol (1.6-3x)mol 2x mol
则有:
2xmol |
(2.2−2x)mol |
4 |
7 |
故N2的平衡转化率:
0.4mol |
0.6mol |
故答案为:66.7%;
②由①可知,N2、H2、NH3平衡时的物质的量分别为:0.2mol、0.4mol、0.8mol,
在2.0L容器中浓度分别为:0.1mol/L、0.2mol/L、0.4mol/L,
K=
[N2]•[H2]3 |
[NH3]2 |
0.1mol/L×(0.2mol/L)3 |
(0.4mol/L)2 |
故答案为:5.0×10-3mol2/L2;
③设平衡时有x molN2转化
N2(g)+3H2(g))⇌2NH3(g)
起始物质的量:0.4mol 0.4mol 0
变化的物质的量:x 3x 2x
平衡物质的量:(0.4-x)mol (0.4-3x)mol 2x mol
则有:
0.8−2x |
0.8 |
3 |
4 |
v(H2)=
| ||
△t |
| ||
3min |
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