Question

在實驗室進行工業(yè)合成氨的模擬實驗：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．當(dāng)反應(yīng)達到平衡后，分離出氨，并補充氮氣、氫氣物質(zhì)的量之比與起始時相同的原料氣，以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，各組分物質(zhì)的量和時間的關(guān)系如圖所示．（各平衡狀態(tài)時N₂物質(zhì)的量均可視為0.9mol）

（1）起始時刻氮氣與氫氣的物質(zhì)的量之比n（N₂）：n（H₂）=

 

．反應(yīng)開始至15min時第一次達到平衡，容器體積為1L，這段時間內(nèi)，以NH₃的濃度變化表示的平均反應(yīng)速率是

 

．
（2）寫出代表H₂的曲線在下列時刻的坐標(biāo)并在圖上畫出，t₁～t₂間的曲線：
t₁補充原料氣之后；（

 

，

 

）；
t₂處于平衡狀態(tài)時：（

 

，

 

）．
（3）第一次達平衡時H₂的轉(zhuǎn)化率是

 

．（保留3位有效數(shù)字，下同）以t₁補充原料氣之后為起始狀態(tài)，第二次達到平衡時H₂的轉(zhuǎn)化率是

 

．以這樣的氮氣和氫氣的物質(zhì)的量之比補充原料氣，試計算經(jīng)濟上是否合算？

 

．

Answer 1

分析：（1）由圖可知，起始時加入氮氣為1mol、氫氣為3.3mol，據(jù)此計算起始時刻氮氣與氫氣的物質(zhì)的量之比；
由圖可知，15min時到達平衡，氨氣的物質(zhì)的量為0.2mol，根據(jù)v=

△n V

△t

計算v（NH₃）；
（2）補充氮氣、氫氣物質(zhì)的量之比與起始時相同的原料氣，再次到達平衡時，氮氣的濃度不變，說明加入的氮氣完全反應(yīng)，根據(jù)t₂再次平衡時氨氣的物質(zhì)的量計算參加反應(yīng)的氫氣、氮氣的物質(zhì)的量，進而計算加入的氫氣的物質(zhì)的量、平衡時氫氣的物質(zhì)的量，確定坐標(biāo)，據(jù)此作圖；
（3）氫氣的轉(zhuǎn)化率=

參加反應(yīng)氫氣的物質(zhì)的量

氫氣總的物質(zhì)的量

，據(jù)此計算兩次平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率，氫氣的轉(zhuǎn)化率越高越經(jīng)濟．

解答：解：（1）由圖可知，起始時加入氮氣為1mol、氫氣為3.3mol，故起始時刻氮氣與氫氣的物質(zhì)的量之比=1mol：3.3mol=1：3.3；由圖可知，15min時到達平衡，氨氣的物質(zhì)的量為0.2mol，故v（NH₃）=

0.2mol 1L

15min

=0.0133mol/（L?min），
故答案為：1：3.3；0.0133mol/（L?min）；
（2）補充氮氣、氫氣物質(zhì)的量之比與起始時相同的原料氣，再次到達平衡時，氮氣的濃度不變，說明加入的氮氣完全反應(yīng)，根據(jù)t₂再次平衡時生成氨氣的物質(zhì)的量為0.2mol，則：
     N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
變化：0.1mol 0.3mol   0.2mol
故t₁時，加入0.1mol氮氣，加入的氫氣為0.1mol×3.3=0.33mol，故t₁時氫氣的物質(zhì)的量為3mol+0.33mol=3.33mol，坐標(biāo)為（25min，3.33mol），
t₂再次平衡時，參加反應(yīng)的氫氣為0.3mol，平衡時氫氣的物質(zhì)的量為3.33mol-0.3mol=3.03mol，故t₂時坐標(biāo)為（50min，3.03mol），
t₁～t₂間的曲線為：，
故答案為：25；3.33；50；3.03；；
（3）第一次平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率=

0.3mol

3.3mol

×100%=9.09%，第二次平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率=

0.3mol

3.33mol

×100%=9.01%，氫氣的轉(zhuǎn)化率降低，故經(jīng)濟上不合算，
故答案為：9.09%；9.01%；不合算．

點評：本題考查化學(xué)反應(yīng)速率計算、化學(xué)平衡圖象及有關(guān)計算，（2）為難點、易錯點，確定每次加入的氮氣完全反應(yīng)是關(guān)鍵，側(cè)重對學(xué)生分析思維能力的考查，難度較大．