Question

【題目】合成氨是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的一項(xiàng)重大突破，2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯（P·Haber）獲得諾貝爾獎(jiǎng)100周年

(1)合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），已知298K時(shí)：ΔH=-92.2kJ/mol，ΔS=-198.2J/(K·mol)，則根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析，常溫下合成氨反應(yīng)____（填“能”或“不能”）自發(fā)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式如下，v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，k為速率常數(shù)，請根據(jù)該關(guān)系式分析，如果想增大合成氨反應(yīng)的速率，從濃度的角度可以采用的措施為________。根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，請?jiān)僬f出一項(xiàng)能夠提高合成氨反應(yīng)速率的措施_________。

(2)研究表明，在Fe催化劑作用下合成氨的反應(yīng)歷程為（*表示吸附態(tài)）：

化學(xué)吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*;

表面反應(yīng)：N*+H*NH*；NH*+H*NH2*;NH2*+H*NH3*

脫 附：NH3*NH3(g)

其中，N2的吸附分解反應(yīng)速率慢，解決了合成氨的整體反應(yīng)速率。

實(shí)際生產(chǎn)中，合成氨常用工藝條件：Fe作催化劑，控制溫度773K，壓強(qiáng)3.0×107Pa，原料中N2和H2物質(zhì)的量之比為1：2.8。請回答：

①分析說明原料中N2過量的理由____________。

②近年來，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳平研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近二十年的積累，先后在催化劑分解、催化氨合成、化學(xué)鏈合成氨等方面取得重要進(jìn)展。關(guān)于合成氨工藝的下列理解，正確的是______。

A.人們對合成氨研究的重要目的之一是要實(shí)現(xiàn)氨的低溫高效合成

B.控制溫度（773K）遠(yuǎn)于室溫，是為了保證盡可能高的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率

C.陳平團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了具有優(yōu)異低溫活性的LiH-3d過渡金屬這一復(fù)合催化劑體系，它可以大大提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率

D.N2的吸附分解反應(yīng)活化能高，是合成氨反應(yīng)條件苛刻的重要原因

E.陳平團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一條基于可再生能源的化學(xué)鏈合成氨工藝流程，可以顯著提高能效

(3)若N2和H2生成NH3的反應(yīng)為：N2(g)+H2(g)NH3(g)，的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù),其中為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1×105Pa)，、和為各組分的平衡分壓，如P(NH3)=x(NH3) P，P為平衡總壓，x(NH3)為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

①N2和H2起始物質(zhì)的量之比為1：3，反應(yīng)在恒定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下進(jìn)行，NH3的平衡產(chǎn)率為，則_________(用含的最簡式表示）

②根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)隨溫度T升高而逐漸______（填“增大”或“減小”）。

(4)希臘兩位科學(xué)家曾經(jīng)采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H+）為介質(zhì)，用吸附在它內(nèi)外表面上的金屬鈀多晶體薄膜做電極，實(shí)現(xiàn)了常壓、570℃條件下高轉(zhuǎn)化率的電解法合成氨（裝置如圖）。鈀電極A為______極（填“陰”或“陽”），該極上的電極反應(yīng)式是___________。

Answer 1

【答案】能 增加原料氣濃度(加壓)或及時(shí)將氨氣移走 使用合適的催化劑或者升高反應(yīng)溫度 原料氣中N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率，N2在Fe催化劑上的吸附是決定速率的步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率 ADE 減小 陰 N2+6e-+6H+=2NH3

【解析】

(1)根據(jù)△G=△H-T△S<0，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，若△G>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行判斷；根據(jù)在其他條件不變時(shí)，增大濃度、升高溫度等影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素分析判斷；

(2) ①從原料獲得的難易及平衡移動(dòng)角度分析N2過量的原因；

②從研究目的、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動(dòng)角度、催化劑的活性、物質(zhì)平衡轉(zhuǎn)化率等角度分析判斷；

(3)①用平衡三段式法計(jì)算；

(4)根據(jù)圖示可知H2在鈀電極B上失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，N2在鈀電極A上獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)分析。

(1)△G=△H-T△S=-92.2kJ/mol -298K×[-198.2J/(K·mol)]= -92.2kJ/mol+59.0636kJ/mol=-33.14kJ/mol<0，所以反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是有氣體參加的反應(yīng)，所以在其它條件不變時(shí)，增大原料氣的濃度(或增大壓強(qiáng))化學(xué)反應(yīng)速率加快，也可以在在其它條件不變時(shí)，通過減小生成物的濃度(即將氨氣及時(shí)移走)也可以增大合成氨反應(yīng)的速率；合成氨氣的反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，可以提高反應(yīng)速率的措施還有如使用催化劑、或升高反應(yīng)體系的溫度等；

(2)①反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中n(N2)：n(H2)=1:3，而實(shí)際加入兩種原料氣時(shí)n(N2)：n(H2)=1：2.8>1:3，加入的N2過量是由于原料氣中N2相對易得，可以降低生產(chǎn)成本，而且該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，在其它條件不變時(shí)，增大反應(yīng)物的濃度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，氮?dú)膺m度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率，N2在Fe催化劑上的吸附是決定速率的步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率；

②A.用該方法合成氨氣目的是研究反應(yīng)原理，盡可能從理論上實(shí)現(xiàn)氨的低溫高效合成，降低氨的生產(chǎn)成本，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、創(chuàng)收，A正確；

B.合成氨氣的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，控制合成氨氣的溫度(773K)遠(yuǎn)于室溫，是因?yàn)樵谠摐囟认麓呋瘎┑幕钚宰畲�，而且溫度高，可以適當(dāng)加快反應(yīng)速率，但溫度高不利于平衡正向移動(dòng)，B錯(cuò)誤；

C.催化劑可以加快反應(yīng)速率，但不能使平衡發(fā)生移動(dòng)，因此不能改變物質(zhì)平衡轉(zhuǎn)化率，C錯(cuò)誤；

D.N2的吸附分解反應(yīng)活化能高，反應(yīng)就難以發(fā)生，所以導(dǎo)致合成氨反應(yīng)條件高，是合成氨氣苛刻的重要原因，D正確；

E.陳平團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一條基于可再生能源的化學(xué)鏈合成氨工藝流程，就可以提高原料利用率，降低成本，從而可以顯著提高能效，E正確；

故合理選項(xiàng)是ADE；

(3)①合成氨的反應(yīng)N2(g)+H2(g)NH3(g)

起始量(mol) 1 3 0

變化量(mol) ω 3ω 2ω

平衡量(mol) 1-ω 3-3ω 2ω

x(NH3)%=；x(N2)%=；x(H2)=；

，化簡整理可得；

②合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度T升高，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)減小；

(4)根據(jù)圖示可知H2在鈀電極B上失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以B電極為陽極，H2-2e-=2H+；N2在鈀電極A上獲得電子，所以A電極為陰極，N2獲得電子變?yōu)?/span>N3-，并與H+結(jié)合形成NH3，所以陰極的電極反應(yīng)式為：N2+6e-+6H+=2NH3。