恒压条件下合成氨反应的反应物浓度的变化

合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g)  ΔH＜0，在673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是

A.点a的正反应速率比点b的小

B.点c处反应达到平衡

C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样

D.其他条件不变, 773 K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大

问题出在A选项，点a的正反应速率真的比点b的大吗？正反应速率应该是由氮气和氢气的浓度共同决定的，这是一个恒压条件下的气体体积减小的反应，在反应物物质的量减小的同时，容器体积也在减小，因此反应物的浓度变化并不是显而易见的，需要讨论。

设初始时氮气的物质的量为a，氢气的物质的量为b，氨气的物质的量为0，恒温恒压条件下反应（正向），反应进度为x（未达平衡），则有

               N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g)

初始         a           b                0

某时刻     a−x     b−3x           2x

可以构建反应物浓度与反应进度x的关系式：

c(N2)＝a−x/(a＋b−2x)Vm

c(H2)＝b−3x/(a＋b−2x)Vm

Vm为气体摩尔体积

对x求导，有

c’(N2)＝(a−b)Vm/[(a＋b−2x)Vm]^2

c’(H2)＝−(3a＋b)Vm/[(a＋b−2x)Vm]^2

可以看到，a＝b时，c’(N2)＝0，c(N2)随x增大而不变，如c(N2)由7/14变为6/12

                  a＞b时，c’(N2)＞0，c(N2)随x增大而增大，如c(N2)由8/14(0.57)变为7/12(0.58)

                  a＜b时，c’(N2)＜0，c(N2)随x增大而减小，如c(N2)由6/14(0.42)变为5/12(0.41)

                  c’(H2)恒小于0，c(H2)随x增大而减小

所以，反应进度x增大，氮气的浓度可增（a＞b）可减（a＜b）可不变（a＝b），氢气的浓度只会减小。

回到题目的A选项上，因为不知道投料情况，随反应发生，氮气浓度的变化情况是不确定的，氢气浓度一定减小，正反应速率由两者共同确定，则正反应速率的变化情况是不确定的，A选项无法判断。