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(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃，相應(yīng)的熱化學(xué)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(biāo)中畫出上述反應(yīng)在有催化劑和無催化劑兩種情況下反應(yīng)體系中的能量變化示意圖，并進行標(biāo)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(yīng)，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(yīng)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(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)之比
（3）在恒溫恒容的密閉容器中，合成氨反應(yīng)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(xué)反應(yīng)平均速率是

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

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

4

27

（計算結(jié)果可用分?jǐn)?shù)表示）．
若升高溫度，該反應(yīng)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(yīng)溫度并設(shè)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(yīng)，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(dāng)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(yīng)的活化能來加快化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(xué)方程式得出氫氣的燃燒的熱化學(xué)方程式；
（2）達到平衡狀態(tài)，各組分濃度不變，正逆反應(yīng)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(xué)反應(yīng)平均速率；
③根據(jù)平衡常數(shù)表達式計算出該反應(yīng)的平衡常數(shù)；升高溫度，平衡逆向移動，該反應(yīng)的平衡常數(shù)值將減��；
（4）根據(jù)升高反應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)的活化能來加快化學(xué)反應(yīng)速率的，使用催化劑后，活化能降低，反應(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(guān)，故b錯誤；
c．反應(yīng)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(yīng)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(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)之比，三種物質(zhì)的濃度比恰好等于化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)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(yīng)剛好達到平衡，K=

c(NH3)2

c(N2)?c(H2)3

=

4

1×32

=

4

27

；該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，若升高溫度，平衡逆向移動，該反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡及計算問題，需要學(xué)生較強的觀察能力及思維能力，難度較大．