Question

（12分） 1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨。2007年化学家格哈德·埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体表面合成氨的反应过程，示意如下图：

（1）图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和图③的含义分别是______，______。
（2）已知：4NH₃(g) + 3O₂(g) = 2N­­₂(g) + 6H₂O(g);  ΔH=  - 1266.8 kJ/mol
N₂(g) + O₂(g) =" 2NO(g)" ; ΔH =" +" 180.5kJ/mol， 氨催化氧化的热化学方程式为__________。
（3）500℃下，在A、B两个容器中均发生合成氨的反应。隔板Ⅰ固定不动，活塞Ⅱ可自由移动。

①当合成氨在容器B中达平衡时，测得其中含有1.0molN₂，0.4molH₂，0.4molNH₃，此时容积为2.0L。则此条件下的平衡常数为____________；保持温度和压强不变，向此容器中通入0.36molN₂，平衡将__________（填“正向”、“逆向”或“不”）移动。
②向A、B两容器中均通入xmolN₂和ymolH₂，初始A、B容积相同，并保持温度不变。若要平衡时保持N₂在A、B两容器中的体积分数相同，则x与y之间必须满足的关系式为____。

Answer 1

（14分）
（1）N₂、H₂被吸附在催化剂表面，（2分）在催化剂表面N₂、H₂中化学键断裂（2分）
（2）4NH₃(g)+5O₂(g)=4N­­O(g)+6H₂O(g)   ΔH=-905.8kJ/mol（3分）
（3）10（2分）    逆向（2分）      x=y （3分）

解析试题分析：（1）氮气、氢气在催化剂表面合成氨反应过程的顺序为：图①氮气分子和氢气分子向催化剂表面靠近，图②氮气和氢气吸附在催化剂的表面，图③在催化剂的作用下分解成氢原子和氮原子，在催化剂表面N₂、H₂中的化学键断裂。
（2）①4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1266.8kJ?mol^-1；
②N₂(g) + O₂(g) = 2NO(g)   ΔH =" +" 180.5kJ/mol；
根据盖斯定律①+2×②可得：4NH₃(g)+5O₂(g)=4N­­O(g)+6H₂O(g)△H=（-1266.8kJ?mol^-1+2×180.5kJ?mol^-1）=-905.8kJ/mol，可写出热化学方程式。
（3）①N₂、H₂、NH₃的平衡浓度分别为：0.5mol?L?¹、0.2mol?L?¹、o.2mol?L?¹，则平衡常数K=0.2²÷（0.5×0.2³）=10；保持温度和压强不变，向此容器中通入0.36molN₂，气体总物质的量为1.0mol+0.4mol+0.4mol+0.36mol=2.16mol，体积与物质的量成正比，则体积为2L×2.16mol/1.8mol=2.4L，则Q=(0.4/2.4)²÷[1.36/2.4×(0.4/2.4)³]=10.6>K，则平衡将向逆向移动；设转化率为a，根据三段式可得：
N₂ + 3H₂ 2NH₃           
起始物质的量（mol）  x    y        0
转化物质的量（mol）  ax   3ax     2ax 
平衡物质的量（mol） x-ax y-3ax    2ax
则N₂的体积分数为x（1-a）/(x+y-2ax)，当x=y时，上式为定值=50%，所以若要平衡时保持N₂在A、B两容器中的体积分数相同，则x与y之间必须满足的关系式为x=y。
考点：本题考查催化剂原理、热化学方程式书写、化学平衡常数及计算。