Question

工业用氨氧化法制硝酸，反应过程为：N₂、H₂→NH₃→NO→NO₂→HNO₃，如图是工业生产硝酸的流程，合成塔中内置催化剂，请回答下列问题．

（1）1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007化学家格哈德埃德尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下：

、、分别表示N₂、H₂、NH₃，图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，则图③的含义是

 

．
（2）合成氨反应的化学方程式为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），写出该反应的化学平衡常数表达式：K=

 

．
（3）一定条件下，将H₂和N₂按3：1（体积比）混合后进入合成塔，反应达到平衡时，平衡混合气中NH₃的体积分数为15%，此时H₂的转化率为

 

．
（4）已知拆开1molH-H键、1molN-H键、1molN≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，则N₂与H₂反应生成NH₃的热化学方程式为

 

．
（5）吸收塔中通入空气的目的是

 

．
（6）工业上合成氨要先找合适的催化剂，在其他条件相同的情况下，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验：
①X在T₁℃时催化效率最高，可使反应速率加快约3×10⁵倍；
②Y在T₂℃时催化效率最高，可使反应速率加快约3×10⁵倍；
③Z在T₃℃时催化效率最高，可使反应速率加快约1×10⁶倍；
已知T₁＞T₂＞T₃，根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是

 

，选择的理由是

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的调控作用,化学平衡常数的含义,化学平衡的影响因素,化学平衡的计算

专题：化学平衡专题

分析：（1）图③则表示在催化剂表面，N₂、H₂中的化学键断裂；
（2）化学平衡常数是：在特定物理条件下（如温度、压力、溶剂性质、离子强度等），可逆化学反应达到平衡状态时生成物与反应物的浓度比或反应物与反应产物的浓度比．用符号“K”表示；
 （3）根据反应方程式 N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），设参加反应的氢气的物质的量xmol，原混合气体中 H₂ 和N₂ 按3：1（体积之比）混合，物质的量之比也是3：1，设氢气3nmol，氮气nmol，列式求算即可；
（4）根据反应热=反应物键能-生成物键能，进而得到氨催化氧化的热化学方程式；
（5）氮的氧化物与氧气和水可以生成硝酸；
（6）根据提供一定的温度与反应速率加快的倍数的关系作判断；

解答： 解：（1）分析题中图可以知道，图③表示在催化剂表面，N₂、H₂中化学键断裂，
故答案为：在催化剂表面，N₂、H₂中的化学键断裂；
（2）化学平衡常数是：在特定物理条件下（如温度、压力、溶剂性质、离子强度等），可逆化学反应达到平衡状态时生成物与反应物的浓度比或反应物与反应产物的浓度比．根据以上概念可以写出该反应的化学平衡常数表达式 K=

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

，故答案为：

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

；
（3）反应方程式：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），设参加反应的氢气的物质的量xmol，原混合气体中 H₂ 和N₂ 按3：1（体积之比）混合，物质的量之比也是3：1，设氢气3nmol，氮气nmol，则参加反应的氮气的物质的量为x/3mol，生成的氨气为2x/3mol，列式：

2x 3

n- x 3 +3n+ 2x 3

=15%，解得x≈0.78nmol，H₂ 的转化率为：0.78nmol÷3nmol×100%=26%，故答案为：26%；
（4）根据反应热=反应物键能-生成物键能，△H=946kJ+3×436kJ-6×391kJ=-92kJ，所以热化学方程为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol，故答案为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-96kJ/mol；
（5）氮的氧化物与氧气和水可以生成硝酸，可以使其中的一氧化氮循环利用，全部转化为硝酸，
故答案为：使一氧化氮循环利用，全部转化为硝酸；
（6）比较题中三组数据可知，温度越高耗能就越高，根据温度与反应速率提高的倍数关系可知，Z中反应速率提高最大，也就催化效率最高，且所需温度低，故选Z，故答案为：Z；Z的催化效率最高，且所需温度低；

点评：本题以硝酸的工业制备为背景，综合考查对化学反应中化学键变化、热化学方程式、化学平衡常数、转化率计算等考点以及对图形的观察能力、推理能力．