Question

【題目】氨的合成與應用一直是眾多科學家研究的熱門話題，目前該研究領域已經催生了三位諾貝爾化學獎得主，N2不僅可以與H2合成氨氣，N2還可以與其他物質反應生成氨氣，回答下列相關問題：

(1)德國化學家哈伯研究“N2(g)+3H2(g)2NH3(g)”反應貢獻巨大，1918年榮獲諾貝爾化學獎，已知該反應在298K時，△H=－92.2 kJ/mol，Kc=4.1×106(mol/L)－2

①若從平衡常數角度分析，反應限度已經較大，但為何化工生產中還需要使用催化劑：____________________________________________

②升高溫度，反應物的轉化率會降低，而實際化工生產中常常采用700K左右的溫度，其原因是____________________________________________。

(2)1931年，科學家卡爾博施因改進合成氨方法而榮獲該年度諾貝爾化學獎。研究發現，催化劑Fe3O4·Al2O3)顆粒大小不同、溫度不同，平衡混合氣體中氨氣的含量不同由如圖可以得出合成氨的適宜條件是_________________________________

(3)2007年，德國埃特爾發現了合成氨催化機理，開端了表面動力學的研究。研究發現，常溫恒壓密閉容器中，N2在催化劑表面可以與水發生反應：2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)

①下列各項能夠作為判斷該反應一定達到平衡的依據是___________(填標號)。

A.容器中N2(g)、NH3(g)、O2(g)的濃度之比為2：4：3

B.N2與NH3濃度之比恒定不變

C.v(N2)正=2v(NH3)逆

D.混合氣體中氨氣的質量分數不變

E.壓強保持不變

②平衡后若分別改變下列一個條件，可以使N2轉化率增大的是___________(填標號。)

A.轉移掉部分O2 B.轉移掉部分NH3

C.適當增加H2O(l)的量 D.增加N2的量

(4)科學研究發現，天然氣CH4(g)與N2(g)在催化劑作用下可以直接用于合成氨氣，同時生成副產物焦炭，已知每轉移1mol電子，該反應吸收的熱量為QkJ。

①寫出該反應的熱化學反應方程式_________________________________

②700℃時，將3molCH4與3molN2在2L的恒定密閉容器中發生上述反應，達到平衡時生成 amolC，求此時混合氣體中氨氣的體積分數______________________(用含a的數學表達式即可，下同)；該溫度下的平衡常數Kc=_________________________________。

Answer 1

【答案】使用催化劑，主要目的是加快反應速率，提高單位時間內的產量。 該溫度下，催化劑的活性大，催化效率高，反應速率快，此溫度下，雖然反應限度有所降低，但綜合考慮，單位時間內的產量仍較高。 470℃左右、0.6mm粒度大小的催化劑(Fe3O4·Al2O3) B、D A、B 3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g)　ΔH=+12QkJ/mol

【解析】

(1)①催化劑可以加快化學反應速率，縮短達到平衡所需要的時間，從而可以提高單位時間內的產量。

②合成氨氣的正反應是可逆的放熱反應，升高溫度，化學平衡向逆反應方向移動，使反應物的轉化率會降低，但實際化工生產中常常采用700K左右的溫度，主要原因是在該溫度下催化劑的活性大，催化效率高，反應速率快，綜合考慮，單位時間內的產量仍較高。

(2)根據圖示可知在相同溫度下，顆粒越細小，轉化率越高；相同顆粒，在溫度為470℃左右時轉化率最高，所以最合適的反應條件是470℃左右、0.6mm粒度大小的催化劑(Fe3O4·Al2O3)；

(3)①A.方程式中N2(g)、NH3(g)、O2(g)的系數比就是2：4：3，所以N2(g)、NH3(g)、O2(g)的濃度之比為2：4：3可能是反應處于平衡狀態，也可能未達到平衡狀態，不能作為判斷平衡的標志，A錯誤；

B. N2是反應物，NH3是生成物，若二者濃度之比恒定不變，則反應達到平衡狀態，B正確；

C.任何時刻，v(N2)正：v(NH3)正=2：4，若反應達到平衡，則v(NH3)正= v(NH3)逆，則平衡時v(N2)正：v(NH3)逆=2：4，所以2v(N2)正=v(NH3)逆，故該狀態不是平衡狀態，C錯誤；

D. 該反應是反應前后氣體體積不等的反應，若混合氣體中氨氣的質量分數不變，則反應處于平衡狀態，D正確；

E.該反應是在恒溫恒壓下進行，任何時刻壓強保持不變，不能作為判斷平衡的標準，E錯誤；

故合理選項是BD；

②A.轉移掉部分O2，即減小生成物濃度，平衡正向移動，可以提高N2轉化率，A正確；

B.轉移掉部分NH3，即減小生成物濃度，平衡正向移動，可以提高N2轉化率，B正確；

C.由于水的狀態是液態，改變其物質的量，平衡不移動，所以不能改變N2轉化率，C錯誤；

D.增加N2的量，該物質本身濃度增大，平衡正向移動，但是平衡正向移動消耗量小于加入量，總的來說它的轉化率還是降低，D錯誤；

故合理選項是AB；

(4) ①根據題意，結合原子守恒、電子守恒，可得熱化學方程式：3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g)　ΔH=+12QkJ/mol；

② 3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g)　ΔH=+12QkJ/mol

n(開始) (mol) 3 3 0 0

n(轉化) (mol) a a

n(平衡) (mol) 3-a 3- a

所以達到平衡時混合氣體中氨氣的體積分數是；

根據平衡常數的含義可得：該溫度下的平衡常數Kc=