Question

人工固氮是指將氮元素由游離態(tài)轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的過程．據(jù)報道，常溫、常壓、光照條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發(fā)生反應，生成的主要產(chǎn)物為NH₃，相應的熱化學方程式為：
N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol．
Ⅰ．請在如圖所示的坐標中畫出上述反應在有催化劑和無催化劑兩種情況下反應體系中的能量變化示意圖，并進行標注（包括△H）．

Ⅱ．目前工業(yè)合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol．
回答下列問題：
（1）氫氣的燃燒熱△H=

-286.0

kJ/mol．
（2）在恒溫恒容密閉容器中進行的合成氨反應，下列能表示達到平衡狀態(tài)的是

ac

（填序號）．
a．混合氣體的壓強不再發(fā)生變化
b．混合氣體的密度不再發(fā)生變化
c．反應容器中N₂、NH₃的物質(zhì)的量的比值不再發(fā)生變化
d．單位時間內(nèi)斷開a個H-H鍵的同時形成3a個N-H鍵
e．三種物質(zhì)的濃度比恰好等于化學方程式中各物質(zhì)的化學計量數(shù)之比
（3）在恒溫恒容的密閉容器中，合成氨反應的各物質(zhì)濃度變化曲線如圖所示．請回答下列問題：
①表示N₂ 的濃度變化的曲線是

C

（選填曲線代號“A”、“B”或“C”）．
②前25min 內(nèi)，用H₂ 的濃度變化表示的化學反應平均速率是

0.12 mol?L^-1?min^-1

．
③在25min 末反應剛好達到平衡，則該溫度下反應的平衡常數(shù)K=

4

27

（計算結(jié)果可用分數(shù)表示）．
若升高溫度，該反應的平衡常數(shù)值將

減小

（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（4）在第25min 末，保持其它條件不變，若升高反應溫度并設法保持該溫度不變，在第35min末再次達到平衡．平衡移動過程中H₂ 濃度變化了1.5mol?L^-1，請你在圖中畫出第25min～40min NH₃濃度變化曲線．
（5）在一定溫度下，將1mol N₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol．
①達平衡時，H₂的轉(zhuǎn)化率α₁=

60%

．
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉(zhuǎn)化率為α₂，當α₁+α₂=1時，則起始時n （NH₃）=

2

mol．

Answer 1

分析：Ⅰ．根據(jù)催化劑是通過降低反應的活化能來加快化學反應速率的，使用催化劑后，活化能降低，畫出有催化劑和無催化劑兩種情況下反應體系中的能量變化示意圖；
Ⅱ（1）利用蓋斯定律通過題中熱化學方程式得出氫氣的燃燒的熱化學方程式；
（2）達到平衡狀態(tài)，各組分濃度不變，正逆反應速率相等，據(jù)此進行分析；
（3）①根據(jù)氮氣的濃度的減少是氫氣減少的

1

3

進行判斷；
②根據(jù)圖象中的濃度變化及時間計算出用H₂的濃度變化表示的化學反應平均速率；
③根據(jù)平衡常數(shù)表達式計算出該反應的平衡常數(shù)；升高溫度，平衡逆向移動，該反應的平衡常數(shù)值將減�。�
（4）根據(jù)升高反應溫度，平衡逆向移動，氫氣的濃度增加1.5 mol?L^-1，氨氣減少1 mol?L^-1，變?yōu)?.0mol?L^-1，畫出第25min～40min NH₃濃度變化曲線；
（5）①設平衡時有x molN₂轉(zhuǎn)化，計算出轉(zhuǎn)化的氮氣的物質(zhì)的量，再計算出氮氣的轉(zhuǎn)化率；
②α₁ +α₂ =1，說明這兩個反應達到平衡時的狀態(tài)完全相同，即加入的氨氣為2mol．

解答：解：Ⅰ．催化劑是通過降低反應的活化能來加快化學反應速率的，使用催化劑后，活化能降低，反應N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol在有催化劑和無催化劑兩種情況下反應體系中的能量變化示意圖為：
，
故答案為：
；
Ⅱ．（1）根據(jù)蓋斯定律：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.0kJ/mol（1）；
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol（2），把

1

3

×（2）-

1

3

×（1），得出H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-286.0 kJ/mol，
故答案為：-286.0；
（2）a．混合氣體的壓強不再發(fā)生變化，在恒溫恒容密閉容器中，因為合成氨是氣體分子數(shù)目減小的反應，混合氣體的壓強不再發(fā)生變化，說明達到平衡狀態(tài)，故a正確；
b．混合氣體的密度不再發(fā)生變化，因為總質(zhì)量和總物質(zhì)的量始終不變，混合氣體的密度與平衡無關，故b錯誤；
c．反應容器中N₂、NH₃的物質(zhì)的量的比值不再發(fā)生變化，說明各物質(zhì)濃度不變，反應達到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．單位時間內(nèi)斷開a個H-H鍵的同時形成3a個N-H鍵，不管是否達到平衡，斷開a個H-H鍵的同時肯定形成3a個N-H鍵，故d錯誤；
e．三種物質(zhì)的濃度比恰好等于化學方程式中各物質(zhì)的化學計量數(shù)之比，三種物質(zhì)的濃度比恰好等于化學方程式中各物質(zhì)的化學計量數(shù)之比可能只是某一時刻的比值，不能證明是否達到平衡，故d錯誤；
故選ac；
（3）①氮氣的濃度的減少是氫氣減少的

1

3

，C符合，故選C；
②根據(jù)圖象可知，v（H₂）=

6.0-3.0

25

mol?L^-1?min^-1=0.12mol?L^-1?min^-1，故答案為：0.12 mol?L^-1?min^-1；
③在25 min 末反應剛好達到平衡，K=

c(NH3)2

c(N2)?c(H2)3

=

4

1×32

=

4

27

；該反應是放熱反應，若升高溫度，平衡逆向移動，該反應的平衡常數(shù)值將減小，
故答案為：

4

27

（或0.148、0.15）；減��；
（4）升高反應溫度，平衡逆向移動，氫氣的濃度增加1.5 mol?L^-1，氨氣減少1 mol?L^-1，變?yōu)?.0mol?L^-1，第25min～40min NH₃濃度變化曲線為：

，故答案為：（說明：對曲線的斜率不做要求，但曲線彎的方向要考慮，這涉及到濃度對反應速率的影響問題．起點與終點要正確，達平衡的時間要一致）；
（5）①設平衡時有x molN₂轉(zhuǎn)化，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始物質(zhì)的量：1mol    3mol        0
變化的物質(zhì)的量：x      3x         2x
平衡物質(zhì)的量：1-x     3-3x        2x
列式可得：4-2x=2.8，
解得x=0.6mol，α₁ =

0.6mol

1mol

×100%=60%，
故答案為：60%；
②由α₁ +α₂ =1，說明這兩個反應達到平衡時的狀態(tài)完全相同，即加入的氨氣為2mol，故答案為：2．

點評：本題考查較綜合，涉及知識點較多，注意通過圖象分析化學反應速率、化學平衡及計算問題，需要學生較強的觀察能力及思維能力，難度較大．