Question

【題目】氨的合成與應(yīng)用一直是眾多科學(xué)家研究的熱門(mén)話(huà)題，目前該研究領(lǐng)域已經(jīng)催生了三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，N2不僅可以與H2合成氨氣，N2還可以與其他物質(zhì)反應(yīng)生成氨氣，回答下列相關(guān)問(wèn)題：

(1)德國(guó)化學(xué)家哈伯研究“N2(g)+3H2(g)2NH3(g)”反應(yīng)貢獻(xiàn)巨大，1918年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，已知該反應(yīng)在298K時(shí)，△H=－92.2 kJ/mol，Kc=4.1×106(mol/L)－2

①若從平衡常數(shù)角度分析，反應(yīng)限度已經(jīng)較大，但為何化工生產(chǎn)中還需要使用催化劑：____________________________________________

②升高溫度，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率會(huì)降低，而實(shí)際化工生產(chǎn)中常常采用700K左右的溫度，其原因是____________________________________________。

(2)1931年，科學(xué)家卡爾博施因改進(jìn)合成氨方法而榮獲該年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，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(guó)埃特爾發(fā)現(xiàn)了合成氨催化機(jī)理，開(kāi)端了表面動(dòng)力學(xué)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，常溫恒壓密閉容器中，N2在催化劑表面可以與水發(fā)生反應(yīng)：2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)

①下列各項(xiàng)能夠作為判斷該反應(yīng)一定達(dá)到平衡的依據(jù)是___________(填標(biāo)號(hào))。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)不變

E.壓強(qiáng)保持不變

②平衡后若分別改變下列一個(gè)條件，可以使N2轉(zhuǎn)化率增大的是___________(填標(biāo)號(hào)。)

A.轉(zhuǎn)移掉部分O2 B.轉(zhuǎn)移掉部分NH3

C.適當(dāng)增加H2O(l)的量 D.增加N2的量

(4)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)生成副產(chǎn)物焦炭，已知每轉(zhuǎn)移1mol電子，該反應(yīng)吸收的熱量為QkJ。

①寫(xiě)出該反應(yīng)的熱化學(xué)反應(yīng)方程式_________________________________

②700℃時(shí)，將3molCH4與3molN2在2L的恒定密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)生成 amolC，求此時(shí)混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)______________________(用含a的數(shù)學(xué)表達(dá)式即可，下同)；該溫度下的平衡常數(shù)Kc=_________________________________。

Answer 1

【答案】使用催化劑，主要目的是加快反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量。 該溫度下，催化劑的活性大，催化效率高，反應(yīng)速率快，此溫度下，雖然反應(yīng)限度有所降低，但綜合考慮，單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)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(xué)反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡所需要的時(shí)間，從而可以提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量。

②合成氨氣的正反應(yīng)是可逆的放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率會(huì)降低，但實(shí)際化工生產(chǎn)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(yīng)速率快，綜合考慮，單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量仍較高。

(2)根據(jù)圖示可知在相同溫度下，顆粒越細(xì)小，轉(zhuǎn)化率越高；相同顆粒，在溫度為470℃左右時(shí)轉(zhuǎn)化率最高，所以最合適的反應(yīng)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(shù)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(yīng)處于平衡狀態(tài)，也可能未達(dá)到平衡狀態(tài)，不能作為判斷平衡的標(biāo)志，A錯(cuò)誤；

B. N2是反應(yīng)物，NH3是生成物，若二者濃度之比恒定不變，則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，B正確；

C.任何時(shí)刻，v(N2)正：v(NH3)正=2：4，若反應(yīng)達(dá)到平衡，則v(NH3)正= v(NH3)逆，則平衡時(shí)v(N2)正：v(NH3)逆=2：4，所以2v(N2)正=v(NH3)逆，故該狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，C錯(cuò)誤；

D. 該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體體積不等的反應(yīng)，若混合氣體中氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，則反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，D正確；

E.該反應(yīng)是在恒溫恒壓下進(jìn)行，任何時(shí)刻壓強(qiáng)保持不變，不能作為判斷平衡的標(biāo)準(zhǔn)，E錯(cuò)誤；

故合理選項(xiàng)是BD；

②A.轉(zhuǎn)移掉部分O2，即減小生成物濃度，平衡正向移動(dòng)，可以提高N2轉(zhuǎn)化率，A正確；

B.轉(zhuǎn)移掉部分NH3，即減小生成物濃度，平衡正向移動(dòng)，可以提高N2轉(zhuǎn)化率，B正確；

C.由于水的狀態(tài)是液態(tài)，改變其物質(zhì)的量，平衡不移動(dòng)，所以不能改變N2轉(zhuǎn)化率，C錯(cuò)誤；

D.增加N2的量，該物質(zhì)本身濃度增大，平衡正向移動(dòng)，但是平衡正向移動(dòng)消耗量小于加入量，總的來(lái)說(shuō)它的轉(zhuǎn)化率還是降低，D錯(cuò)誤；

故合理選項(xiàng)是AB；

(4) ①根據(jù)題意，結(jié)合原子守恒、電子守恒，可得熱化學(xué)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(kāi)始) (mol) 3 3 0 0

n(轉(zhuǎn)化) (mol) a a

n(平衡) (mol) 3-a 3- a

所以達(dá)到平衡時(shí)混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)是；

根據(jù)平衡常數(shù)的含義可得：該溫度下的平衡常數(shù)Kc=