11.合成氨工業(yè)用氫和氮在催化劑作用下直接合成,如表表示在一定溫度和壓強作用下達到動態(tài)平穩(wěn)時氨的含量.
達到平穩(wěn)時混合氣體中氨的含量(體積百分比)(氮氣和氫氣的體積比是1:3)
1002003006001000
20081.586.489.995.498.8
30052.064.271.084.292.6
40025.138.247.065.279.8
50010.619.126.442.257.5
如圖是一透熱性能很好的堅固容器,活塞C可左右移動.其總體積為44.8L,現(xiàn)將400℃、300大氣壓的氫氣33.6L和400℃、300大氣壓的氮氣11.2L充入容器中,當兩者反應達到動態(tài)平穩(wěn)時,若保持混合氣體的溫度和壓強仍為400℃和300大氣壓,求:
(1)容器是向外界放熱,還是吸熱?為什么?
(2)試計算充入容器中氮氣質量是多少克?
(3)活塞C要向左側移動的距離與容器全長之比是多少?

分析 (1)合成氨為放熱反應,若保持混合氣體的溫度和壓強仍為400℃和300大氣壓,則容器必須向外界放熱;
(2)由PV=nRT計算氮氣的物質的量,進而計算質量;
(3)平衡時氨氣的含量為47.0%,結合方程式計算反應后的體積,進而計算活塞C要向左側移動的距離與容器全長之比.

解答 解:(1)由表中數(shù)據(jù)可知升高溫度氨氣的含量降低,則合成氨為放熱反應,若保持混合氣體的溫度和壓強仍為400℃和300大氣壓,則容器必須向外界放熱,
答:容器是向外界放熱,因為該反應是放熱反應,若保持反應時溫度不變,容器必須向外界放熱;
(2)400℃和300大氣壓時,R=0.082,則n=$\frac{300×11.2}{0.082×673}$mol,則m=$\frac{300×11.2}{0.082×673}$mol×28g/mol=1.7×103g,
答:充入容器中氮氣質量是1.7×103g;
(3)反應的化學方程式為N2+3H2=2NH3,設生成2VLNH3,
         N2+3H2=2NH3,
起始11.2L  33.6L    0
轉化 V       3V            2V
平衡 11.2-V 33.6-3V   2V
$\frac{2V}{44.8-2V}$=0.47,
2V=10.53,
則反應后的體積為44.8L-10.53L=34.27L,
活塞C向左移動距離與活塞全長之比為$\frac{44.8-34.27}{44.8}$=0.24,
答:活塞C向左移動距離與活塞全長之比為0.24.

點評 本題考查化學平衡的計算,為高頻考點,側重考查學生的分析、計算能力,題目考查類型比較陌生,為競賽類題目,注意中學相關學科的知識的綜合運用,難度中等.

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