Question

在实验室进行工业合成氨的模拟实验：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．当反应达到平衡后，分离出氨，并补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气，以实现连续生产，各组分物质的量和时间的关系如图所示．（各平衡状态时N₂物质的量均可视为0.9mol）

（1）起始时刻氮气与氢气的物质的量之比n（N₂）：n（H₂）=

 

．反应开始至15min时第一次达到平衡，容器体积为1L，这段时间内，以NH₃的浓度变化表示的平均反应速率是

 

．
（2）写出代表H₂的曲线在下列时刻的坐标并在图上画出，t₁～t₂间的曲线：
t₁补充原料气之后；（

 

，

 

）；
t₂处于平衡状态时：（

 

，

 

）．
（3）第一次达平衡时H₂的转化率是

 

．（保留3位有效数字，下同）以t₁补充原料气之后为起始状态，第二次达到平衡时H₂的转化率是

 

．以这样的氮气和氢气的物质的量之比补充原料气，试计算经济上是否合算？

 

．

Answer 1

分析：（1）由图可知，起始时加入氮气为1mol、氢气为3.3mol，据此计算起始时刻氮气与氢气的物质的量之比；
由图可知，15min时到达平衡，氨气的物质的量为0.2mol，根据v=

△n V

△t

计算v（NH₃）；
（2）补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气，再次到达平衡时，氮气的浓度不变，说明加入的氮气完全反应，根据t₂再次平衡时氨气的物质的量计算参加反应的氢气、氮气的物质的量，进而计算加入的氢气的物质的量、平衡时氢气的物质的量，确定坐标，据此作图；
（3）氢气的转化率=

参加反应氢气的物质的量

氢气总的物质的量

，据此计算两次平衡时氢气的转化率，氢气的转化率越高越经济．

解答：解：（1）由图可知，起始时加入氮气为1mol、氢气为3.3mol，故起始时刻氮气与氢气的物质的量之比=1mol：3.3mol=1：3.3；由图可知，15min时到达平衡，氨气的物质的量为0.2mol，故v（NH₃）=

0.2mol 1L

15min

=0.0133mol/（L?min），
故答案为：1：3.3；0.0133mol/（L?min）；
（2）补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气，再次到达平衡时，氮气的浓度不变，说明加入的氮气完全反应，根据t₂再次平衡时生成氨气的物质的量为0.2mol，则：
     N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
变化：0.1mol 0.3mol   0.2mol
故t₁时，加入0.1mol氮气，加入的氢气为0.1mol×3.3=0.33mol，故t₁时氢气的物质的量为3mol+0.33mol=3.33mol，坐标为（25min，3.33mol），
t₂再次平衡时，参加反应的氢气为0.3mol，平衡时氢气的物质的量为3.33mol-0.3mol=3.03mol，故t₂时坐标为（50min，3.03mol），
t₁～t₂间的曲线为：，
故答案为：25；3.33；50；3.03；；
（3）第一次平衡时氢气的转化率=

0.3mol

3.3mol

×100%=9.09%，第二次平衡时氢气的转化率=

0.3mol

3.33mol

×100%=9.01%，氢气的转化率降低，故经济上不合算，
故答案为：9.09%；9.01%；不合算．

点评：本题考查化学反应速率计算、化学平衡图象及有关计算，（2）为难点、易错点，确定每次加入的氮气完全反应是关键，侧重对学生分析思维能力的考查，难度较大．