【題目】合成氨對(duì)人類的生存和發(fā)展有著重要意義,1909年哈伯在實(shí)驗(yàn)室中首次利用氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)合成氨,實(shí)現(xiàn)了人工固氮。

1)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為_____。

2)請(qǐng)結(jié)合下列數(shù)據(jù)分析,工業(yè)上選用氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)固氮,而沒有選用氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)固氮的原因是______。

序號(hào)

化學(xué)反應(yīng)

K(298K)的數(shù)值

N2(g)+O2(g)2NO(g)

5×10-31

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

4.1×106

3)對(duì)于反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在一定條件下氨的平衡含量如下表。

溫度/

壓強(qiáng)/MPa

氨的平衡含量

200

10

81.5%

550

10

8.25%

①該反應(yīng)為______(填吸熱放熱)反應(yīng)。

②哈伯選用的條件是550℃、10MPa,而非200℃、10MPa,可能的原因是______。

4)一定溫度下,在容積恒定的密閉容器中充入1mol氮?dú)夂?/span>3mol氫氣,一段時(shí)間后達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)。若保持其他條件不變,向上述平衡體系中再充入1mol氮?dú)夂?/span>3mol氫氣,氮?dú)獾钠胶廪D(zhuǎn)化率______(填變大”“變小不變)。

5)盡管哈伯的合成氨法被評(píng)為“20世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域中最輝煌的成就之一,但仍存在耗能高、產(chǎn)率低等問題。因此,科學(xué)家在持續(xù)探索,尋求合成氨的新路徑。如圖為電解法合成氨的原理示意圖,陰極的電極反應(yīng)式為______。

【答案】 298K,氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)的化學(xué)平衡常數(shù) 放熱 在該條件下催化劑的活性最好,可以提高合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率 變大 N2+6e-+ 6H+=2 NH3

【解析】

根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式和意義進(jìn)行分析;根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)及其移動(dòng)方向;根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素分析合成氨條件的選擇原因;根據(jù)電解原理分析電解法合成氨的原理。

(1)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為。

(2)平衡常數(shù)越大,化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的程度越大,即反應(yīng)的限度越大,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越大。由表中數(shù)據(jù)可知,氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)的化學(xué)平衡常數(shù),因此,工業(yè)上選用氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)固氮,而沒有選用氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)固氮。

(3)①由表中信息可知,在壓強(qiáng)相同的條件下,升高溫度,氨的平衡含量減小,因此,該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

②在工業(yè)生產(chǎn)中,注重的是生產(chǎn)效率,而化學(xué)反應(yīng)速率決定了生產(chǎn)效率,哈伯選用的條件是550℃、10MPa,而非200℃、10MPa,可能的原因是:在該條件下催化劑的活性最好,可以提高合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率。

(4)一定溫度下,在容積恒定的密閉容器中充入1mol氮?dú)夂?/span>3mol氫氣,一段時(shí)間后達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)。若保持其他條件不變,向上述平衡體系中再充入1mol氮?dú)夂?/span>3mol氫氣,則相當(dāng)于在原平衡的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng),化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),所以氮?dú)獾钠胶廪D(zhuǎn)化率變大。

(5)由電解法合成氨的原理示意圖可知,氫氣在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng),氮?dú)庠陉帢O發(fā)生還原反應(yīng),注意有H+參與陰極的電極反應(yīng),所以,陰極的電極反應(yīng)式為N2+6e-+ 6H+=2 NH3。

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