Question

目前Haber-Bosch法是工业合成氨的主要方式，其生产条件需要高温高压。为了有效降低能耗，过渡金属催化还原氮气合成氨被认为是具有巨大前景的替代方法。催化过程一般有吸附—解离—反应—脱附等过程，图示为N₂和H₂在固体催化剂表面合成氨反应路径的势能面图(部分数据略)，其中“*”表示被催化剂吸附。

(1)氨气的脱附是____过程(填“吸热”或“放热”)，合成氨的热化学方程式为_____

(2)合成氨的捷姆金和佩热夫速率方程式为 w= k₁ p(N₂)-k₂ ，w为反应的瞬时总速率，为正反应和逆反应速率之差，k₁、k₂是正、逆反应速率常数。合成氨反应N₂+3H₂⇌2NH₃的平衡常数K_p=_________(用k₁，k₂表示)(注：K_p用各物质平衡分压来表示)。

(3)若将2.0molN₂和6.0molH₂通入体积为1L的密闭容器中，分别在T₁和T₂温度下进行反应。曲线A表示T₂温度下n(H₂)的变化，曲线B表示T₁温度下n(NH₃)的变化，T₂温度下反应到a点恰好达到平衡。

①温度T₁___T₂ (填“＞”、“＜”或“＝”下同)，T₁温度下恰好平衡时，曲线B上的点为b(m， n )，则m___12，n__2。

②T₂ 温度下，反应从开始到恰好平衡时平均速率v(N₂) =_____。

③T₂温度下，合成氨反应N₂+3H₂⇌2NH₃的平衡常数的数值是____；若某时刻，容器内气体的压强为起始时的80%，则此时v(正)____v(逆)(填“＞”、“＜”或“＝”)。

(4)工业上通过降低反应后混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法， 其原理类似于下列方法中的___(填序号)。

A.过滤    B.蒸馏       C.渗析      D.萃取

Answer

吸热 N2(g)+3H2(g) ⇌2NH3(g) △H= -92 kJ·mol-1 ＞ ＜ ＜ 0.083mol•L-1•min-1 0.148 ＞ B

【解析】

(1)由势能面图可知，氨气从催化剂上脱离时势能面在升高，为吸热过程，由图可知0.5mol氮气和1.5mol氢气转变成1mol氨气的反应热为：21 kJ·mol-1-17kJ·mol-1-50 kJ·mol-1=-46 kJ·mol-1，则合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g) ⇌2NH3(g) △H= -92 kJ·mol-1，

故答案为：吸热；N2(g)+3H2(g) ⇌2NH3(g) △H= -92 kJ·mol-1；

(2)反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，则w = k1 p(N2)-k2=0，k1 p(N2)=k2，整理得：，故答案为：；

(3) ①曲线A表示T2温度下n(H2)的变化，反应到4min时，，该条件下对应氨气的速率为：，曲线B表示T1温度下n(NH3)的变化，4min时，曲线B对应的反应速率快，可知T1＞T2，因曲线B对应的温度高，速率快，所以到达平衡的时间比曲线A短，即m＜12，但因反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，导致曲线B平衡时氨气的物质的量比曲线A平衡时氨气的物质的量少，即n＜2,

故答案为：＞；＜；＜；

②T2 温度下，反应达到平衡时，，v(N2) =，

故答案为：0.083mol•L-1•min-1；

③T2温度下，合成氨反应N2+3H2⇌2NH3，根据题中数据列三段式：

平衡常数K=，

由以上计算可知平衡时气体总量为6mol，平衡时气体的压强是起始时的，若某时刻，容器内气体的压强为起始时的80%，反应应向气体体积减小的方向建立平衡即向正向进行，则v(正)＞v(逆)，故答案为：0.148；＞；

(4)工业上通过降低反应后混合气体的温度而使氨气液化后分离出来，是利用了气体的熔沸点差异，将氨气转成液体与氮气和氢气分析，该方法类似于蒸馏，故答案为：B。