题目
2018年是合成氨工业先驱哈伯（P•Haber）获得诺贝尔奖100周年。现代合成氨工艺流程如图所示。_(2)+(N)_(2)-|||-冷却 压缩机-|||-未反应的 square square -|||-H2和N2 催化剂 合-|||-加热 square 成-|||-塔-|||-不断移去-|||-液氨 加压原料气合成塔内N2和H2生成NH3的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H（298K）=-92.4kJ•mol-1．在Fe催化作用下的反应历程为（*表示吸附态）化学吸附：N2（g）→2N*；H2（g）→2H*；表面反应：N*+H*⇌NH*；NH*+H*⇌NH2*；NH2*+H*⇌NH3*脱附：NH3*⇌NH3（g）。其中，N2的吸附分解反应活化能高速率慢决定了合成氨的整体反应速率。实际生产中，常用工艺条件为：Fe作催化剂、控制温度773K、压强3.0×105Pa、原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8请回答：（1）分析说明原料气中N2过量的理由 ____ 、 ____ 。（2）有利于提高合成氨平衡产率的条件是 ____ （填序号）。A．低温B．高压C．催化剂（3）下列关于合成氨工艺的理解错误的是 ____ （填序号）。A．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒B当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体有利于提高平衡转化率C．控制温度（773K）远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率D合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零（4）标准平衡常数Kθ=([p（N(H)_(3)）/(p)^θ]^2)/([p（(N)_{2)）/(p)^θ][p（(H)_(2)）/(p)^θ]^3}下，其中pθ为标准压强（1×105Pa），p（NH3）、p（N2）和p（H2）为各组分的平衡分压[已知p（NH3）=x（NH3）p，其中p为平衡总压，x（NH3）为平衡系统中NH3的物质的量分数]。①若起始N2和H2物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，达到平衡时H2的转化率为a，则Kθ= ____ （用含a的最简式表示）。②图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是 ____ （填序号）。_(2)+(N)_(2)-|||-冷却 压缩机-|||-未反应的 square square -|||-H2和N2 催化剂 合-|||-加热 square 成-|||-塔-|||-不断移去-|||-液氨 加压原料气
2018年是合成氨工业先驱哈伯（P•Haber）获得诺贝尔奖100周年。现代合成氨工艺流程如图所示。
合成塔内N2和H2生成NH3的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H（298K）=-92.4kJ•mol-1．在Fe催化作用下的反应历程为（*表示吸附态）
化学吸附：N2（g）→2N*；H2（g）→2H*；
表面反应：N*+H*⇌NH*；NH*+H*⇌NH2*；NH2*+H*⇌NH3*
脱附：NH3*⇌NH3（g）。
其中，N2的吸附分解反应活化能高速率慢决定了合成氨的整体反应速率。
实际生产中，常用工艺条件为：Fe作催化剂、控制温度773K、压强3.0×105Pa、原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8请回答：
（1）分析说明原料气中N2过量的理由 ____ 、 ____ 。
（2）有利于提高合成氨平衡产率的条件是 ____ （填序号）。
A．低温B．高压C．催化剂
（3）下列关于合成氨工艺的理解错误的是 ____ （填序号）。
A．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒
B当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体有利于提高平衡转化率
C．控制温度（773K）远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
D合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零
（4）标准平衡常数Kθ=$\frac{[p（N{H}_{3}）/{p}^{θ}]^{2}}{[p（{N}_{2}）/{p}^{θ}][p（{H}_{2}）/{p}^{θ}]^{3}}$下，其中pθ为标准压强（1×105Pa），
p（NH3）、p（N2）和p（H2）为各组分的平衡分压[已知p（NH3）=x（NH3）p，其中p为平衡总压，x（NH3）为平衡系统中NH3的物质的量分数]。
①若起始N2和H2物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，达到平衡时H2的转化率为a，则Kθ= ____ （用含a的最简式表示）。
②图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是 ____ （填序号）。
合成塔内N2和H2生成NH3的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H（298K）=-92.4kJ•mol-1．在Fe催化作用下的反应历程为（*表示吸附态）
化学吸附：N2（g）→2N*；H2（g）→2H*；
表面反应：N*+H*⇌NH*；NH*+H*⇌NH2*；NH2*+H*⇌NH3*
脱附：NH3*⇌NH3（g）。
其中，N2的吸附分解反应活化能高速率慢决定了合成氨的整体反应速率。
实际生产中，常用工艺条件为：Fe作催化剂、控制温度773K、压强3.0×105Pa、原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8请回答：
（1）分析说明原料气中N2过量的理由 ____ 、 ____ 。
（2）有利于提高合成氨平衡产率的条件是 ____ （填序号）。
A．低温B．高压C．催化剂
（3）下列关于合成氨工艺的理解错误的是 ____ （填序号）。
A．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒
B当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体有利于提高平衡转化率
C．控制温度（773K）远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
D合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零
（4）标准平衡常数Kθ=$\frac{[p（N{H}_{3}）/{p}^{θ}]^{2}}{[p（{N}_{2}）/{p}^{θ}][p（{H}_{2}）/{p}^{θ}]^{3}}$下，其中pθ为标准压强（1×105Pa），
p（NH3）、p（N2）和p（H2）为各组分的平衡分压[已知p（NH3）=x（NH3）p，其中p为平衡总压，x（NH3）为平衡系统中NH3的物质的量分数]。
①若起始N2和H2物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，达到平衡时H2的转化率为a，则Kθ= ____ （用含a的最简式表示）。
②图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是 ____ （填序号）。
题目解答
答案
解：（1）原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8，原料气中N2过量的两个理由：原料气中N2来自于空气的分离，相对易得，并且适度过量有利于提高H2的转化率；由题给信息：N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率，所以N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率，
故答案为：原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率；
（2）合成氨的正反应是反应前后气体体积减小的放热反应，降低温度、增大压强都使平衡正向移动，催化剂只改变化学反应速率不影响平衡移动，所以有利于提高合成氨平衡产率的条件有低温高压，故选AB；
（3）A．合成氨的反应在合成塔中发生，原料气中的N2是先将空气液化，再蒸馏得N2，甲烷与水生成CO和H2的反应为CH4+H2O（g）$⇌_{高温}^{催化剂}$CO+3H2，所以原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒，故A正确；
B．当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体，总压增大，分压不变，平衡不变，不能提高平衡转化率，故B错误；
C．合成氨正反应为放热反应，升高温度不利于平衡转化率的提高，但能提高催化剂的活性，加快反应速率，故C错误；
D．反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H（298K）=-92.4kJ•mol-1是气体体积减小的放热反应，合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零，故D正确；
故答案为：BC；
（4）①N2和H2起始物质的量之比为1：3，设1molN2和3molH2，H2的转化率为a，则
可逆反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
开始（mol）1 3 0
变化（mol） a 3a 2a
平衡（mol）1-a 3-3a 2a
平衡混合气体总物质的量=（4-2a）mol，p（N2）=$\frac{1-a}{4-2a}$pθ，p（H2）=$\frac{3-3a}{4-2a}$pθ，p（NH3）=$\frac{2a}{4-2a}$pθ，Kθ=$\frac{[p（N{H}_{3}）/{p}^{θ}]^{2}}{[p（{N}_{2}）/{p}^{θ}][p（{H}_{2}）/{p}^{θ}]^{3}}$=$\frac{（\frac{2a}{4-2a}）{}^{2}}{（\frac{1-a}{4-2a}）×（\frac{3-3a}{4-2a}）{}^{3}}$=$\frac{16a{}^{2}（2-a）{}^{2}}{27（1-a）{}^{4}}$，
故答案为：$\frac{16a{}^{2}（2-a）{}^{2}}{27（1-a）{}^{4}}$；
②升高温度平衡逆向移动，化学平衡常数减小，则平衡常数的对数减小，但不是线性关系，故选A，故答案为：A。
故答案为：原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率；
（2）合成氨的正反应是反应前后气体体积减小的放热反应，降低温度、增大压强都使平衡正向移动，催化剂只改变化学反应速率不影响平衡移动，所以有利于提高合成氨平衡产率的条件有低温高压，故选AB；
（3）A．合成氨的反应在合成塔中发生，原料气中的N2是先将空气液化，再蒸馏得N2，甲烷与水生成CO和H2的反应为CH4+H2O（g）$⇌_{高温}^{催化剂}$CO+3H2，所以原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒，故A正确；
B．当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体，总压增大，分压不变，平衡不变，不能提高平衡转化率，故B错误；
C．合成氨正反应为放热反应，升高温度不利于平衡转化率的提高，但能提高催化剂的活性，加快反应速率，故C错误；
D．反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H（298K）=-92.4kJ•mol-1是气体体积减小的放热反应，合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零，故D正确；
故答案为：BC；
（4）①N2和H2起始物质的量之比为1：3，设1molN2和3molH2，H2的转化率为a，则
可逆反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
开始（mol）1 3 0
变化（mol） a 3a 2a
平衡（mol）1-a 3-3a 2a
平衡混合气体总物质的量=（4-2a）mol，p（N2）=$\frac{1-a}{4-2a}$pθ，p（H2）=$\frac{3-3a}{4-2a}$pθ，p（NH3）=$\frac{2a}{4-2a}$pθ，Kθ=$\frac{[p（N{H}_{3}）/{p}^{θ}]^{2}}{[p（{N}_{2}）/{p}^{θ}][p（{H}_{2}）/{p}^{θ}]^{3}}$=$\frac{（\frac{2a}{4-2a}）{}^{2}}{（\frac{1-a}{4-2a}）×（\frac{3-3a}{4-2a}）{}^{3}}$=$\frac{16a{}^{2}（2-a）{}^{2}}{27（1-a）{}^{4}}$，
故答案为：$\frac{16a{}^{2}（2-a）{}^{2}}{27（1-a）{}^{4}}$；
②升高温度平衡逆向移动，化学平衡常数减小，则平衡常数的对数减小，但不是线性关系，故选A，故答案为：A。