の反応の速さと化学平衡 53 準°101.〈アンモニア合成の平衡) 図は,水素と窒素を 3:1 の物質量比で混合して平 衡に達したときの, 各温度における気体中に含まれる アンモニアの物質量百分率を表している。曲線(b)は, 触媒を加えて圧力を3.0×10' Paに保った場合の結果 である。次の問いに答えよ。なお,気体はすべて理想 気体と見なすこと。 (1) 図とルシャトリエの原理に基づいて考えると,ア ンモニアが生成する反応は発熱反応か,吸熱反応か。 「発熱,吸熱,判断できない」のいずれかで答えよ。 (2) 工業的なアンモニア合成の反応温度は500°C付近である。図からわかるように低 温でアンモニアの物質量百分率がより高くなるにもかかわらず,500°℃ 付近で反応さ [%) 100 80 60ト 40 20 0 200 300 400 500 600 700 温度 CO1 せるのはなぜか。理由を簡潔に記せ。 (3) 触媒を加えて圧力を6.0×10'Pa に保った場合の平衡におけるアンモニアの物質量 百分率の温度変化は, 図の曲線(a), (b), (c)のうちいずれか,記号で記せ。 (4) 触媒を加えず圧力を3.0×10'Pa に保った場合の平衡におけるアンモニアの物質量 百分率の温度変化は,図の曲線(a), (b), (c)のうちいずれか, 記号で記せ。 (5) 曲線(b)は, 537°C, 3.0×10' Pa で 20%の値をとる。このとき,アンモニアが IH 1.0×10°mol 存在するとすれば,反応前の水素と窒素の混合気体の体積は, 27°C, 3.0×10'Paで何 m°か, 有効数字2桁で記せ。気体定数 R=8.3×10°Pa·L/(mol·K) [10 同志社大) 1b アンモニアの物質量百分率

の分子数の減る方向に半衡が移動 ので, NH3の生成量が増加する。 (4)曲線(b)の場合と圧力が同じなので, 平衡は移動しない。なお,触媒 がないと反応が遅くなり,平衡に達するのに時間がかかる。 (5) 反応前にN2 がx[mol], Hzが3x[mol] あるとすると, NH3 ン は 反応を速くするために 400~ 600°℃,装置のコストから 1×107Pa~3×10'Pa くらい で反応させている。 N2 3H2 → 2NH3 (※2 左辺は Ne1分子と Hz3分子 で合計4分子,右辺は NH.2| 分子なので,反応が右に進む と気体の分子数が減る。 反応前 x 3x 0 [mol) 平衡時 x- 1.0×10° 3×1.0×10° 3x 2 1.0×10° (mol) 2 NHs が平衡時の 20% なので, 1.0×10° (x-0.50×10)+(3x-1.5×10°)+1.0×10-0.20 x=1.5×10°(mol) 反応前の Ne と Hzは合計 4x==4×1.5×10=6.0×10°(mol) なので, 混合気体の体積をV[L] とすると, かV=nRT より, 3.0×107×V=6.0×10°×8.3×10°×(27+273) V=5.0×10*(L) (※3 ※34 よって,50m 1m°=1000L 102 (1) (d) (2) a…0 b…@ c…@ ONIO(赤褐色) N.O,(無色) 計聖市の休積が減ってNO。 S°DA