(8分)科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105Pa、反应时间3h):
T/K | 303 | 313 | 323 | 353 |
NH3生成量/(10-6mol) | 4.8 | 5.9 | 6.0 | 2.0 |
N2(g)+3H2O(l)====2NH3(g)+O2(g) ΔH
=+765.2kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)右图是上述反应在无催化剂情况下反应过程中体系能量变化示意图,请在图中画出在有催化剂情况下反应过程中体系能量变化示意图。
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议: 。
(3)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH2的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为
。计算
①该条件下N2的平衡转化率是 ;
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为
。
③若温度不变,减小容器体积,则平衡向---------------------------移动,c(NH3)将--------------------
c(N2)将----------------------(填增大、减小或不变)
(1)画图略。(2分)
(2)升高温度,增大反应物N2的浓度,不断移出生成物(2分)
(3)66.7%(2分)0.005(2分)
(1)作图要点:①催化剂可降低反应的活化能,但这对各反应前后能量变化并不产生任何影响。
②该反应为吸热反应,所以反应物的总能量要低于生成物的总能量。
(2)该反应的正反应是吸热反应,升高温度,使化学平衡向正反应方向移动,从而增大NH3的生成量,升高温度也能提高反应速率;增大反应物N2的浓度,加快反应速率,并使化学平衡向右移动;不断移出生成物,使平衡向右移动,增大NH3的生成量。
(3)由三行式法计算可知,起始时,c(N2)=0.3mol·L-1。平衡时,c(N2)=0.1 mol·L-1;c(H2)=0.2 mol·L-1;c(NH3)=0.4 mol·L-1。
①所以N2的平衡转化率。
④ 反应2NH3(g)====N2(g)+3H2(g)的平衡常数。