Question

氮的固定有三种途径：生物固氮、自然固氮和工业固氮。根据最新“人工固氮”的研究报道：在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂(掺有少量Fe₂O₃的TiO₂)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH₃。进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分平衡时实验数据见下表(光照、N₂压力1.0×10⁵Pa、反应时间1 h)：

T/K	303	313	323	353
NH3生成量/(10^－6mol)	4.8	5.9	6.0	2.0

相应的化学方程式：2N₂(g)＋6H₂O(l)4NH₃(g)＋3O₂(g)  ΔH＝a kJ·mol^－1

回答下列问题：

（1）此合成反应的a________0；(填“＞”、“＜”或“＝”)

（2）从323 K到353 K，氨气的生成量减少的可能原因是_______________________________；（3）与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH₃生成量的建议__________________________________________________。

（4）工业合成氨的反应为N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)　 ΔH＝－92.4 kJ·mol^－1，分别研究在T₁、T₂和T₃(T₁<T₂<T₃)三种温度下合成氨气的规律。下图是上述三种温度下不同的H₂和N₂的起始组成比(起始时N₂的物质的量均为1 mol)与N₂平衡转化率的关系。请回答：

      

①在上述三种温度中，曲线X对应的温度是________。

②a、b、c三点中H₂的转化率最小的是_______点、转化率最大的是________点。

③在容积为1.0 L的密闭容器中充入0.30 mol N₂(g)和0.80 molH₂(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数(NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为4/7。该条件下反应2NH₃(g)N₂(g)＋3H₂(g)的平衡常数为__________________。

Answer

＞ 氨气在高温下被氧气氧化(或：在较高温度时催化剂活性降低，反应还没有达到平衡状态) 升高温度（或提高N2的浓度） T1 c b 5.0×10－3

【解析】(1)根据表格数据可知，反应2N2(g)+6H2O(1)⇌4NH3(g)+3O2(g)△H=a kJ•mol-1，温度越高，生成的氨气越多，则可逆反应为吸热反应，a为正值，△H＞0，故答案为：＞；

(2)分析数据可知从323K到353K，氨气的生成量减少，可能的原因是在较高温度时催化剂活性降低，反应还没有达到平衡状态，氨气在高温下被氧气氧化等，故答案为：在较高温度时催化剂活性降低，反应还没有达到平衡状态(或氨气在高温下被氧气氧化等)；

(3)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法固氮反应速率慢，提高其反应速率且增大NH3生成量，增大压强，平衡逆向移动，NH3生成量减小；升高温度，平衡正向移动，NH3生成量增大；提高N2的浓度，反应速率加快，平衡正向移动，NH3生成量增大；因此可以通过升高温度或提高N2的浓度来实现，故答案为：升高温度(或提高N2的浓度)；

(4)①在图中画一条与纵轴平行的线段交X、Y、Z，反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)为放热反应，温度越高，N2(g)的转化率越低，故曲线X对应的温度是T1；故答案为：T1；

②图像分析可知B点氮气转化率大于a点，则氢气转化率b点大于a，保持温度不变，增大氢气与氮气组成比，氮气转化率增大，但氢气转换率减小，所以c点氢气转化率小于a，最大的是b点，最小的是c点，故答案为：c；b；

③ N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

起始浓度(mol/L)  0.3   0.8       0

转化浓度(mol/L)   x     3x        2x

平衡浓度(mol/L) 0.3-x   0.8-3x  2x

=，解得：x=0.2，2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数K==5×10-3；故答案为：5.0×10-3。