Question

【題目】合成氨是人類科學技術上的一項重大突破，其反應原理為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH=－92.4 kJ·mol－1

（1）已知：2H2(g)＋O2(g)2H2O(g)　ΔH=－483.6 kJ·mol－1。則4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)　ΔH=______kJ·mol－1。

（2）如圖所示，合成氨反應中未使用催化劑時，逆反應的活化能Ea(逆)＝__kJ·mol－1；使用催化劑之后，正反應的活化能為___kJ·mol－1(已知：加入催化劑后，反應分兩步進行，反應的活化能是兩個過程中需要吸收能量較大的反應的活化能)。

（3）從平衡視角考慮，工業(yè)合成氨應該選擇常溫條件，但實際工業(yè)生產(chǎn)卻選擇500 ℃左右的高溫，試解釋其原因： ____________________________。

（4）如圖表示500 ℃、60 MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH3的體積分數(shù)的關系。根據(jù)圖中a點數(shù)據(jù)計算N2的平衡體積分數(shù)為__。

（5）合成氨需要選擇合適的催化劑，分別選用A、B、C三種催化劑進行實驗，所得結果如圖所示(其他條件相同)，則實際生產(chǎn)中適宜選擇的催化劑是__(填“A”“B”或“C”)，理由是________。

（6）如圖是當反應器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在200 ℃、400 ℃、600 ℃反應達到平衡時，混合物中NH3的物質(zhì)的量分數(shù)隨總壓強的變化曲線。

①曲線a、b對應溫度較高的是___(填“a”或“b”)。

②列出b點平衡常數(shù)的計算式Kp=____(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)；不要求計算結果)。

Answer 1

【答案】－1266 427.4 126 從反應速率角度考慮，反應溫度越高，反應速率越快；從催化劑活性角度考慮，500℃左右催化劑活性較高；溫度過高，平衡將逐漸逆向移動，不利于氨的合成 22% A 催化劑A在較低溫度下具有較高的催化活性，一方面可節(jié)約能源，另一方面低溫有利于氨的合成 b （或）

【解析】

（1）將題給已知熱化學方程式依次編號為Ⅰ、Ⅱ，根據(jù)蓋斯定律，由3×Ⅱ－2×Ⅰ可得4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)ΔH＝(－483.6 kJ·mol－1)×3＋92.4 kJ·mol－1×2＝－1266 kJ·mol－1；

（2）根據(jù)ΔH＝正反應的活化能－逆反應的活化能可知，合成氨反應中未使用催化劑時，逆反應的活化能Ea(逆)＝(335＋92.4)kJ·mol－1＝427.4 kJ·mol－1；由圖1及括號內(nèi)的已知信息可知，使用催化劑之后，正反應的活化能為126 kJ·mol－1；

（3）反應溫度越高，反應速率越快，且在500 ℃左右催化劑活性較高，若溫度過高，平衡將逐漸逆向移動，不利于氨的合成，所以在實際工業(yè)生產(chǎn)中選擇500 ℃左右的高溫；

（4）根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，a點時NH3的平衡體積分數(shù)為12%，投料比n(N2)∶n(H2)＝1∶3，

解法一：設起始加入的N2為1 mol，參與反應的N2為n mol，根據(jù)三段式法有：

則＝12%，解得n＝，N2的平衡體積分數(shù)為＝22%。

解法二：起始投料比等于化學計量數(shù)之比，則N2的平衡體積分數(shù)為(1－12%)×＝22%。

（5）由圖3可知，催化劑A在較低溫度下具有較高的催化活性，且合成氨反應是放熱反應，低溫對氨的合成有利，所以實際生產(chǎn)中適宜選擇的催化劑是A；

（6）①合成氨反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，NH3的物質(zhì)的量分數(shù)減小，故曲線a、b對應溫度較高的是b；

②根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)可知，b點時NH3的平衡物質(zhì)的量分數(shù)為20%，總壓強p＝70 MPa。

解法一：設起始加入的N2為1 mol，反應的N2為m mol，則根據(jù)三段式法有：

則＝20%，解得m＝，所以b點時，NH3和N2的物質(zhì)的量分數(shù)均為20%，H2的物質(zhì)的量分數(shù)為60%，則Kp＝（或）；

解法二：起始投料比等于化學計量數(shù)之比，則b點時N2的物質(zhì)的量分數(shù)為(1－20%)×＝20%，H2的物質(zhì)的量分數(shù)為20%×3＝60%，則Kp＝（或）。