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?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）

(2)升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物
（3）①66.7%    ②5.0×10-3mol2·L-2

（1）催化劑能降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)的歷程，使一個(gè)高能變過程變?yōu)閹讉�(gè)能量相對低的過程，使反應(yīng)易發(fā)生。要點(diǎn)是有催化劑時(shí)能量低而過程階段多了。圖見答案。
（2）加快反應(yīng)速率且增大NH₃生成量的方法是升溫、增大N₂濃度、不斷移出生成物。
（3）解：①設(shè)反應(yīng)過程消耗xmolN₂(g)。
N₂（g）+3H₂(g)        2NH₃(g)
起始物質(zhì)的量/mol       0.60    1.60            0
平衡物質(zhì)的量/mol       0.60-x  1.60-3x          2x
平衡時(shí)反應(yīng)體系總物質(zhì)的量=［（0.60-x）+(1.60-3x)+2x］mol="(2.20-2x)" mol
NH₃(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=2x÷(2.20-2x)=4/7
x=0.40
N₂的平衡轉(zhuǎn)化率=×100%=66.7%
②設(shè)反應(yīng)2NH₃（g）      N₂(g)+3H₂(g)的平衡常數(shù)為K。平衡時(shí)，c(NH₃)=2×0.40 mol÷2.0 L=
0.40 mol·L^-1c(N₂)="(0.60-0.40)" mol÷2.0 L="0.10" mol·L^-1
c(H₂)=(1.60-3×0.40) mol÷2.0 L="0.20" mol·L^-1
K==［(0.10 mol·L^-1?)×（0.20 mol·L^-1）³］÷(0.40 mol·L^-1)²
=5.0×10^-3mol²·L^-2