Question

工業(yè)用氨氧化法制硝酸，反應(yīng)過程為：N₂、H₂→NH₃→NO→NO₂→HNO₃，如圖是工業(yè)生產(chǎn)硝酸的流程，合成塔中內(nèi)置催化劑，請(qǐng)回答下列問題．

（1）1909年化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)室首次合成了氨，2007化學(xué)家格哈德埃德爾在哈伯研究所證實(shí)了氫氣與氮?dú)庠诠腆w催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程，示意圖如下：

、、分別表示N₂、H₂、NH₃，圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，則圖③的含義是

 

．
（2）合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K=

 

．
（3）一定條件下，將H₂和N₂按3：1（體積比）混合后進(jìn)入合成塔，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，平衡混合氣中NH₃的體積分?jǐn)?shù)為15%，此時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為

 

．
（4）已知拆開1molH-H鍵、1molN-H鍵、1molN≡N鍵分別需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，則N₂與H₂反應(yīng)生成NH₃的熱化學(xué)方程式為

 

．
（5）吸收塔中通入空氣的目的是

 

．
（6）工業(yè)上合成氨要先找合適的催化劑，在其他條件相同的情況下，分別對(duì)X、Y、Z三種催化劑進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：
①X在T₁℃時(shí)催化效率最高，可使反應(yīng)速率加快約3×10⁵倍；
②Y在T₂℃時(shí)催化效率最高，可使反應(yīng)速率加快約3×10⁵倍；
③Z在T₃℃時(shí)催化效率最高，可使反應(yīng)速率加快約1×10⁶倍；
已知T₁＞T₂＞T₃，根據(jù)上述信息，你認(rèn)為在生產(chǎn)中應(yīng)該選擇的適宜催化劑是

 

，選擇的理由是

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的調(diào)控作用,化學(xué)平衡常數(shù)的含義,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡的計(jì)算

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）圖③則表示在催化劑表面，N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；
（2）化學(xué)平衡常數(shù)是：在特定物理?xiàng)l件下（如溫度、壓力、溶劑性質(zhì)、離子強(qiáng)度等），可逆化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)生成物與反應(yīng)物的濃度比或反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的濃度比．用符號(hào)“K”表示；
 （3）根據(jù)反應(yīng)方程式 N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），設(shè)參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量xmol，原混合氣體中 H₂ 和N₂ 按3：1（體積之比）混合，物質(zhì)的量之比也是3：1，設(shè)氫氣3nmol，氮?dú)鈔mol，列式求算即可；
（4）根據(jù)反應(yīng)熱=反應(yīng)物鍵能-生成物鍵能，進(jìn)而得到氨催化氧化的熱化學(xué)方程式；
（5）氮的氧化物與氧氣和水可以生成硝酸；
（6）根據(jù)提供一定的溫度與反應(yīng)速率加快的倍數(shù)的關(guān)系作判斷；

解答： 解：（1）分析題中圖可以知道，圖③表示在催化劑表面，N₂、H₂中化學(xué)鍵斷裂，
故答案為：在催化劑表面，N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；
（2）化學(xué)平衡常數(shù)是：在特定物理?xiàng)l件下（如溫度、壓力、溶劑性質(zhì)、離子強(qiáng)度等），可逆化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)生成物與反應(yīng)物的濃度比或反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的濃度比．根據(jù)以上概念可以寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式 K=

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

，故答案為：

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

；
（3）反應(yīng)方程式：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），設(shè)參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量xmol，原混合氣體中 H₂ 和N₂ 按3：1（體積之比）混合，物質(zhì)的量之比也是3：1，設(shè)氫氣3nmol，氮?dú)鈔mol，則參加反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為x/3mol，生成的氨氣為2x/3mol，列式：

2x 3

n- x 3 +3n+ 2x 3

=15%，解得x≈0.78nmol，H₂ 的轉(zhuǎn)化率為：0.78nmol÷3nmol×100%=26%，故答案為：26%；
（4）根據(jù)反應(yīng)熱=反應(yīng)物鍵能-生成物鍵能，△H=946kJ+3×436kJ-6×391kJ=-92kJ，所以熱化學(xué)方程為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol，故答案為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol；
（5）氮的氧化物與氧氣和水可以生成硝酸，可以使其中的一氧化氮循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸，
故答案為：使一氧化氮循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化為硝酸；
（6）比較題中三組數(shù)據(jù)可知，溫度越高耗能就越高，根據(jù)溫度與反應(yīng)速率提高的倍數(shù)關(guān)系可知，Z中反應(yīng)速率提高最大，也就催化效率最高，且所需溫度低，故選Z，故答案為：Z；Z的催化效率最高，且所需溫度低；

點(diǎn)評(píng)：本題以硝酸的工業(yè)制備為背景，綜合考查對(duì)化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵變化、熱化學(xué)方程式、化學(xué)平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率計(jì)算等考點(diǎn)以及對(duì)圖形的觀察能力、推理能力．