Question

(17分)人工固氮是指将氮元素由游离态转化为化合态的过程。据报道,常温、常压、光照条件下,N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，生成的主要产物为NH₃，相应的热化学方程式为：N₂(g)+3H₂O(l)2NH₃(g)+O₂(g)  △H=+765.0kJ /mol。

Ⅰ．请在下图所示的坐标中画出上述反应在有催化剂和无催化剂两种情况下反应体系中的能量变化示意图，并进行标注(包括△H)。

Ⅱ．目前工业合成氨的原理是：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)  △H=－93.0kJ /mol。

回答下列问题：

(1)氢气的燃烧热△H=_______________kJ/mol。

(2)在恒温恒容密闭容器中进行的合成氨反应，下列能表示达到平衡状态的是_______(填序号)。

a．混合气体的压强不再发生变化

b．混合气体的密度不再发生变化

c．反应容器中N₂、NH₃的物质的量的比值不再发生变化

d．单位时间内断开a个H－H键的同时形成3 a个N－H键

e．三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比

(3)在恒温恒容的密闭容器中，合成氨反应的各物质浓度变化曲线如下图所示。请回答下列问题：

① 表示N₂ 的浓度变化的曲线是               (选填曲线代号“A”、“B”或“C”)。

② 前25 min 内，用H₂ 的浓度变化表示的化学反应平均速率是             。

③在25 min 末反应刚好达到平衡，则该温度下反应的平衡常数K =        (计算结果可用分数表示)。若升高温度，该反应的平衡常数值将_______(填“增大”、“减小”或“不变”)。

(4)在第25 min 末，保持其它条件不变，若升高反应温度并设法保持该温度不变，在第35 min末再次达到平衡。平衡移动过程中H₂ 浓度变化了1.5 mol·L^－1，请你在图中画出第25 min ～ 40 min NH₃浓度变化曲线。

(5)在一定温度下，将1 mol N₂和3 mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 mol 。

①达平衡时，H₂的转化率α₁ = ____________。

②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为α₂，当α₁ + α₂ =1时，则起始时n (NH₃)= ________mol。

 

Answer 1

【答案】

 

或

Ⅱ. (1)－286.0(1分)

(2) a c  (每个1分，共2分，有错不得分。)

(3)① C (1分)                 

② 0.12 mol·L^－1·min^－1(2分)

③ 4/27 (或0.148、0.15) (2分，写单位也得分)          减小(1分)

(4)

说明：对曲线的斜率不做要求，但曲线弯的方向要考虑，这涉及到浓度对反应速率的影响问题。起点与终点要正确，达平衡的时间要一致。(2分)

(5)① 60%(2分)         ② 2(1分)

【解析】

试题分析：Ⅰ．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：

Ⅱ. (1)根据盖斯定律：N₂(g)+3H₂O(l)2NH₃(g)+O₂(g)  △H=+765.0kJ /mol（1）；N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)  △H=－93.0kJ /mol（2），把×（2）-×（1），得出

H₂(g) + O₂(g)= H₂O(l)；△H=－286.0 kJ /mol；

（2）在恒温恒容密闭容器中，因为合成氨是气体分子数目减小的反应，混合气体的压强不再发生变化，说明达到平衡；因为总质量和总物质的量始终不变，混合气体的密度与平衡无关；反应容器中N₂、NH₃的物质的量的比值不再发生变化，说明各物质浓度不变，反应达到平衡；不管是否达到平衡，断开a个H－H键的同时肯定形成3 a个N－H键；三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比可能只是某一时刻的比值，不能证明是否达到平衡。

(3) ① 氮气的浓度的减少是氢气减少的1/3，所以选择C；

② 根据图像；

③在25 min 末反应刚好达到平衡，；该反应是放热反应，若升高温度，平衡逆向移动，该反应的平衡常数值将减小；

(4) 升高反应温度，平衡逆向移动，氢气的浓度增加1.5 mol·L^－1，氨气减少1 mol·L^－1，变为1.0mol·L^－1。

（5）设平衡时有x molN₂转化

N₂（g）+3H₂（g）） 2NH₃（g）

起始物质的量：1mol   3mol             0

变化的物质的量：x     3x               2x

平衡物质的量：1-x    3-3x              2x

4-2x=2.8，得出x=0.6mol ，α₁ =60%；

α₁ + α₂ =1，说明这两个反应达到平衡时的状态完全相同，即加入的氨气为2mol。

考点：考查化学反应速率、化学平衡状态、平衡移动的影响因素及平衡计算。

点评：通过图像综合考查了化学反应速率、化学平衡及计算问题，需要学生较强的观察能力及思维能力，难度较大。