Question

（2010?南通模擬）合成氨是人類科學技術發展史上的一項重大突破，目前工業上用氫氣和氮氣直接合成氨，制得的氨通過催化氧化可生產硝酸．在一定條件下，若N₂和H₂以體積比1：3的比例充入一體積不變的密閉容器中反應，達到平衡狀態時，測得混合氣體中氨的體積分數為20.0%，則：
（1）合成氨反應達到平衡的標志

ABCD

．
A．容器內氣體壓強保持不變
B．容器內各物質的濃度不隨時間變化
C．當υ（H₂，正）=0.3mol?L^-1?min^-1，υ（NH₃，逆）=0.2mol?L^-1?min^-1時
D．1個N≡N鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵形成
（2）達到平衡時，N₂和H₂的轉化率分別為

33.3%

．
（3）用氨催化氧化可生產硝酸，取所生產的硝酸溶液100mL，與足量的銅反應，生成的NO₂和NO混合氣體在標準狀況下體積為6.72L，物質的量之比為2：1，求所生產硝酸的物質的量濃度？（請寫出該小題的計算過程）

8mol/L

．
（4）某廠用NH₃生產硝酸，然后再制硝酸銨，其過程如下：
其中反應②為：4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，原料氣為氨氣和空氣的混合物．若實際生產中，反應①、②、③的轉化率（或利用率）分別為a、b、c，則生產硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數為

1

1+ab

．

Answer 1

分析：（1）可逆反應達到平衡狀態，正逆反應速率相等，各組分的含量不變、濃度不變，由此衍生的一些其它物理量不變，據此結合選項分析解答；
（2）N₂和H₂以體積比1：3的比例充入，二者按1：3反應，故二者轉化率相等，令N₂和H₂分別為1mol、3mol，平衡時參加反應的氮氣為xmol，利用三段式表示出平衡時各組分的物質的量，再利用氨氣體積分數列方程計算；
（3）根據n=

m

M

計算混合氣體總物質的量，根據物質的量之比計算各自物質的量，根據電子注意守恒計算n（Cu），由銅元素守恒n[Cu（NO₃）₂]=n（Cu），根據氮元素守恒n （HNO₃）=n[Cu（NO₃）₂]=+n（NO₂）+n（NO），根據c=

n

V

計算硝酸的濃度；
（4）制備的硝酸與剩余的氨氣反應生成硝酸銨，二者物質的量之比為1：1，令氨氣總量為1mol，設生產硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數為x，則生成硝酸銨的氨氣的物質的量為（1-x）mol，根據氮元素守恒計算生成硝酸的物質的量，據此列方程計算．

解答：解：（1）A．正反應為氣體物質的量減小的反應，隨反應進行壓強減小，容器內氣體壓強保持不變，說明到達平衡，故A正確；
B．平衡時，各組分的濃度不再變化，說明到達平衡，故B正確；
C．當υ（H₂，正）=0.3mol?L^-1?min^-1，υ（NH₃，逆）=0.2mol?L^-1?min^-1，速率之比等于化學計量數之比，反應到達平衡，故C正確；
D．1個N≡N鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵形成，3個H-H鍵形成的同時形成1個N≡N鍵，氮氣的生成與消耗速率相等，反應到達平衡，故D正確；
故答案為：ABCD；
（2）N₂和H₂以體積比1：3的比例充入，二者按1：3反應，故二者轉化率相等，令N₂和H₂分別為1mol、3mol，平衡時參加反應的氮氣為xmol，則：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開始（mol）：1       3      0
變化（mol）：x       3x     2x
平衡（mol）：1-x    3-3x    2x
所以，

2x

1-x+3-3x+2x

=20%，解得x=

1

3

，
故氮氣、氫氣的轉化率=

1 3 mol

1mol

×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
（3）n（NO₂）+n（NO）=

6.72L

22.4L/mol

=0.3mol，由于n（NO₂）：n（NO）=2：1，故n（NO₂）=0.2 mol、n（NO）=0.1 mol，根據電子轉移守恒有n（Cu）=

0.2mol×(5-4)+0.1mol×(5-2)

2-0

=0.25mol，由銅元素守恒n[Cu（NO₃）₂]=n（Cu）=0.25mol，根據氮元素守恒n （HNO₃）=n[Cu（NO₃）₂]=+n（NO₂）+n（NO）=0.25mol×2+0.2 mol+0.1 mol=0.8 mol，故c（HNO₃）=

0.8mol

0.1L

=8 mol/L，
故答案為：8mol/L；
（4）令氨氣總量為1mol，設生產硝酸的氨氣占所用氨氣總量的體積分數為x，則生成硝酸銨的氨氣的物質的量為（1-x）mol，氨催化氧化利用率為a、合成硝酸的利用率為b，則根據氮元素守恒NH₃～NO～NHNO₃，故可得硝酸的物質的量為abx mol，制備的硝酸與剩余的氨氣反應生成硝酸銨，二者物質的量之比為1：1，則abx mol=（1-x）mol，解得x=

1

1+ab

，
故答案為：

1

1+ab

．

點評：本題考查化學平衡狀態、化學平衡計算、氧化還原反應計算、化學工業計算等，難度中等，（3）中注意利用守恒思想進行計算，（4）為易錯點、難點，學生容易受生成硝酸銨的利用率迷惑，本過程理論上氨氣與硝酸按1：1反應，與其利用率無關．