Question

氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位。合成氨方面的研究共产生了三名诺贝尔奖得主，分别是理论可行性研究、工业化研究和机理研究三个方面，这也代表了现代化学研究的三个方面。

回答下列问题：

I.合成氨反应的机理研究：N₂和H₂在活性铁表面催化合成NH₃的机理如图所示，其中(ad)表示物种的吸附状态。

（1）根据反应历程图，写出合成氨反应的热化学方程式___________。

（2）合成氨经历如下五个过程：

N₂（g)+H₂(g)→N(ad)+3H(ad)i

N(ad)+3H(ad)→NH(ad)+2H(ad)ii

NH(ad)+2H(ad)→NH₂(ad)+H(ad)iii

NH₂(ad)+H(ad)→NH₃(ad)iv

NH₃(ad)→NH₃(g)V

下列说法正确的是___________（填选项字母）。

A.升高温度，过程i的反应速率减慢，过程ii的反应速率加快

B.增大压强，有利于提高过程i的转化率

C.使用催化剂时，反应N₂(g)+H₂(g)→N(g)+3H(g)ΔH＜0

II.合成氨反应的反应条件研究：实验测定不同条件下，平衡时氨气的含量与起始氢氮比[]之间的关系如图所示。

（3）T₀___________420°C(填“＜”“＞”或“=”,下同）。

（4）a点时的转化率：a(N₂)___________a(H₂)。

（5）a、b、c、d四点对应的平衡常数由大到小的顺序为___________（用K_a、K_b、K_c、K_d表示）。

（6）b点对应的平衡常数K_b=___________MPa^-2(用体系中各物质的分压表示平衡常数，物质的分压＝物质的量百分含量×容器的总压，列出计算式即可）。

III.合成氨的工业化研究：合成氨的原料气中的杂质会影响氨的合成效率，已知某原料气中含有20%N₂、40%H₂、30%CO、3%Ar。

（7）在恒压条件下，单位时间通入的气体总量一定时，杂质稀有气体Ar会使N₂的平衡转化率降低的原因为___________。

Answer

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92kJ·mol－1 B ＞ ＜ Kb=Kc>Ka>Kd 或或9.5×10－2 恒压容器中，充入Ar会减小反应体系的压强，使平衡向气体分子数增多的方向移动，因此会降低N2的平衡转化率

【解析】

根据催化合成NH3的机理图书写热化学方程式并计算反应热，根据“定一议二、先拐先平”比较温度大小，结合图中数据进行转化率和平衡常数的计算，结合平衡常数的定义及平衡移动原理比较平衡常数的大小。

Ⅰ.(1)根据反应历程图可知，合成氨为放热反应，其热化学反应方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-2×(276kJ/mol-106kJ/mol-33kJ/mol-41kJ/mol-50kJ/mol)=-92kJ/mol，故答案为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92kJ·mol－1；

(2)A．升高温度，过程ⅰ和ii的反应速率均加快，A错误；

B．过程ⅰ为N2（g)+H2(g)→N(ad)+3H(ad)，反应前后体积减小，增大压强，平衡正向移动，有利于提高过程ⅰ的转化率，B正确；

C．使用催化剂时，反应N2(g)+H2(g)→N(g)+3H(g) ΔH＞0，C错误；

故答案为：B；

Ⅱ.(3)根据图像，由①④曲线分析可知，压强相同，420℃→T0℃，平衡时氨气的含量降低，说明平衡逆向移动，又反应为放热反应，所以420℃→T0℃为温度升高的过程，则T0＞420℃，故答案为：＞；

(4)根据图像可知，a点时起始氢氮比，则N2的转化率＜H2的转化率，故答案为：＜；

(5)由于②③的温度相同，所以两个条件下平衡常数相等，即Kb=Kc，①④相比，压强相同，④的温度更高，所以平衡常数Ka＞Kd，①②相比，①的温度更高，所以平衡常数Kb＞Ka，故答案为：Kb=Kc>Ka>Kd；

(6)根据图像，b点时起始氢氮比，总压强为20MPa，平衡时氨气的含量为50%，设N2的起始投量为1mol，转化量为xmol，则列三段式有：

则有，x=，所以N2的物质的量百分含量为，H2的物质的量百分含量为，则b点对应的平衡常数，故答案为：或或9.5×10－2；

Ⅲ.(7)在恒压条件下，单位时间通入的气体总量一定时，充入Ar会减小反应体系的压强，使平衡向气体分子数增多的方向移动，因此会降低N2的平衡转化率，故答案为：恒压容器中，充入Ar会减小反应体系的压强，使平衡向气体分子数增多的方向移动，因此会降低N2的平衡转化率。