题目
合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大突破,研究表明液氨是一种良好的储氢物质。-|||-(1)化学家Gethard Ert1证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的过程,示意如图:-|||-① ② ③ ④ ⑤-|||-下列说法正确的是 __ (选填字母)。-|||-A.①表示N2、H2分子中均是单键-|||-B.②→③需要吸收能量-|||-C.该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的生成-|||-(2)氨气分解反应的热化学方程式如下: (H)_(3)(g)leftharpoons (N)_(2)(g)+3(H)_(2)(g)Delta H-|||-若: N=N 键、 -H 键和 N-H 键的键能分别记作 a、b和c(单位: cdot mo(L)^-1-|||-则上述反应的 Delta FI= __ cdot mo(L)^-1-|||-(3)研究表明金属催化剂可加速氨气的分解。下表为某温度下等质量的不同金属分别催化等浓度氨-|||-气分解生成氢气的初始速率( cdot (m)^-1-|||-催化剂 Ru Rh Ni Pt Pd Fe-|||-初始速率 7.9 4.0 3.0 2.2 1.8 0.5-|||-①不同催化剂存在下,氨气分解反应活化能最大的是 __ 填写催化剂的化学式)。-|||-②温度为T,在一体积固定的密闭容器中加入2molNH3,此时压强为F 0,用Ru催化氨气分解,若平衡时氨-|||-气分解的转化率为50%,则该温度下反应 (H)_(3)(g)leftharpoons (N)_(2)(g)+3(H)_(2)(g) 用平衡分压代替平衡浓度表示的-|||-化学平衡常数 = __ 。[已知:气体分压 ((P)_(45))= 气体总压 ((P)_(甲))times 体积分数]-|||-(4)关于合成氨工艺的理解,下列正确的是 __-|||-A.合成氨工业常采用的反应温度为500℃左右,可用勒夏特列原理解释-|||-B.使用初始反应速率更快的催化剂Ru,不能提高平衡时NH3的产量-|||-C.合成氨工业采用 -30MPa, 是因常压下N2和H 2的转化率不高-|||-D.采用冷水降温的方法可将合成后混合气体中的氨液化-|||-(5)右图为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条-|||-件下,初始时氮气、氢气的体积比为1:3时,平衡混合物中氨-|||-的体积分数[φ(NH3)]。-|||-①若分别用vA(NH3)和t3(NH 3)表示从反应开始至达平衡状-|||-态A、B时的化学反应速率,则vA(NH3) __ vB-|||-(NH3)(填">"、"
题目解答
答案
解析
步骤 1：分析化学键和能量变化
①表示N2、H2分子中均是单键，这是正确的，因为N2和H2都是由单键构成的分子。②→③需要吸收能量，这是正确的，因为化学键的断裂需要吸收能量。该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的生成，这是正确的，因为化学反应中旧化学键的断裂和新化学键的生成是化学变化的本质。
步骤 2：计算焓变
氨气分解反应的热化学方程式为：$2N{H}_{3}(g)\rightleftharpoons {N}_{2}(g)+3{H}_{2}(g)\Delta H$。根据键能计算焓变，反应的焓变等于生成物的键能之和减去反应物的键能之和。所以，$\Delta H = (a + 3b) - 6c = 6c - a - 3b$。
步骤 3：分析催化剂对反应的影响
催化剂可以降低反应的活化能，从而加快反应速率。根据表中数据，Fe的初始速率最小，说明Fe的活化能最大。在温度为T，体积固定的密闭容器中加入2 mol NH3，此时压强为P0，用Ru催化氨气分解，若平衡时氨气分解的转化率为50%，则平衡时NH3的物质的量为1 mol，N2的物质的量为0.5 mol，H2的物质的量为1.5 mol。根据气体分压的定义，${K}_{P} = \frac{{P}_{N2} \times {P}_{H2}^3}{{P}_{NH3}^2} = \frac{0.5P0 \times (1.5P0)^3}{(1P0)^2} = \frac{2702}{64}$。
步骤 4：分析合成氨工艺
合成氨工业常采用的反应温度为500 ℃左右，这是为了平衡反应速率和平衡转化率，不能用勒夏特列原理解释。使用初始反应速率更快的催化剂Ru，不能提高平衡时NH3的产量，因为催化剂只影响反应速率，不影响平衡转化率。合成氨工业采用10MPa-30MPa，是因常压下N2和H2的转化率不高。采用冷水降温的方法可将合成后混合气体中的氨液化，这是正确的，因为氨气在低温下容易液化。
步骤 5：分析反应速率和转化率
在250℃、$1.0\times {10}^{4}kPa$下，H2的转化率为66.7%。因为平衡混合物中氨的体积分数为60%，所以H2的转化率为66.7%。
步骤 6：分析温度对产率的影响
高于900℃，产率受平衡移动影响，升高温度，平衡逆向移动，氨气的产率下降。
①表示N2、H2分子中均是单键，这是正确的，因为N2和H2都是由单键构成的分子。②→③需要吸收能量，这是正确的，因为化学键的断裂需要吸收能量。该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的生成，这是正确的，因为化学反应中旧化学键的断裂和新化学键的生成是化学变化的本质。
步骤 2：计算焓变
氨气分解反应的热化学方程式为：$2N{H}_{3}(g)\rightleftharpoons {N}_{2}(g)+3{H}_{2}(g)\Delta H$。根据键能计算焓变，反应的焓变等于生成物的键能之和减去反应物的键能之和。所以，$\Delta H = (a + 3b) - 6c = 6c - a - 3b$。
步骤 3：分析催化剂对反应的影响
催化剂可以降低反应的活化能，从而加快反应速率。根据表中数据，Fe的初始速率最小，说明Fe的活化能最大。在温度为T，体积固定的密闭容器中加入2 mol NH3，此时压强为P0，用Ru催化氨气分解，若平衡时氨气分解的转化率为50%，则平衡时NH3的物质的量为1 mol，N2的物质的量为0.5 mol，H2的物质的量为1.5 mol。根据气体分压的定义，${K}_{P} = \frac{{P}_{N2} \times {P}_{H2}^3}{{P}_{NH3}^2} = \frac{0.5P0 \times (1.5P0)^3}{(1P0)^2} = \frac{2702}{64}$。
步骤 4：分析合成氨工艺
合成氨工业常采用的反应温度为500 ℃左右，这是为了平衡反应速率和平衡转化率，不能用勒夏特列原理解释。使用初始反应速率更快的催化剂Ru，不能提高平衡时NH3的产量，因为催化剂只影响反应速率，不影响平衡转化率。合成氨工业采用10MPa-30MPa，是因常压下N2和H2的转化率不高。采用冷水降温的方法可将合成后混合气体中的氨液化，这是正确的，因为氨气在低温下容易液化。
步骤 5：分析反应速率和转化率
在250℃、$1.0\times {10}^{4}kPa$下，H2的转化率为66.7%。因为平衡混合物中氨的体积分数为60%，所以H2的转化率为66.7%。
步骤 6：分析温度对产率的影响
高于900℃，产率受平衡移动影响，升高温度，平衡逆向移动，氨气的产率下降。