Question

【題目】合成氨對人類生存具有重大意義，反應(yīng)為：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）△H

（1）科學(xué)家研究在催化劑表面合成氨的反應(yīng)機理，反應(yīng)步驟與能量的關(guān)系如圖所示（吸附在催化劑表面的微粒用*標注，省略了反應(yīng)過程中部分微粒）。

①NH3的電子式是___。

②決定反應(yīng)速率的一步是___（填字母a、b、c、…）。

③由圖象可知合成氨反應(yīng)的△H____0（填“＞”、“＜”或“=”）。

（2）傳統(tǒng)合成氨工藝是將N2和H2在高溫、高壓條件下發(fā)生反應(yīng)。若向容積為1.0L的反應(yīng)容器中投入5molN2、15molH2，在不同溫度下分別達平衡時，混合氣中NH3的質(zhì)量分數(shù)隨壓強變化的曲線如圖所示：

①溫度T1、T2、T3大小關(guān)系是___。

②M點的平衡常數(shù)K=____（可用分數(shù)表示）。

（3）目前科學(xué)家利用生物燃料電池原理（電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子），研究室溫下合成氨并取得初步成果，示意圖如圖：

①導(dǎo)線中電子移動方向是____。

②固氮酶區(qū)域發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是___。

③相比傳統(tǒng)工業(yè)合成氨，該方法的優(yōu)點有___。

Answer 1

【答案】 b ＜ T3＞T2＞T1 7.32×10-3 a→b N2+6H++6MV+=2NH3+6MV2+ 條件溫和、生成氨的同時釋放電能

【解析】

(1)①從分子中每個原子都形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的角度分析；

②反應(yīng)需要的能量最高的反應(yīng)決定總反應(yīng)速率；

③根據(jù)能量圖，反應(yīng)物的總能量高于產(chǎn)物的總能量，則反應(yīng)為放熱反應(yīng)；

(2)①正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，相同壓強下，溫度越高，對應(yīng)NH3的含量越小；

②根據(jù)反應(yīng)三段式進行計算；

(3)①根據(jù)裝置電極b上MV2+轉(zhuǎn)化為MV+判斷正負極，原電池工作時，電子從負極經(jīng)過導(dǎo)線流向正極；

②固氮酶區(qū)域中N2轉(zhuǎn)化為NH3，MV+轉(zhuǎn)化為MV2+；

③該電化學(xué)裝置工作時，可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時利用生物酶在室溫下合成氨，不需要高溫條件、反應(yīng)條件溫和。

(1)①NH3分子中一個N原子與三個H原子形成3對共用電子對，N原子還有1對孤電子對，NH3電子式為：；

②根據(jù)合成氨的反應(yīng)機理與各步能量的關(guān)系圖可知，反應(yīng)b需要的能量最大，反應(yīng)需要的能量越高，反應(yīng)速率越慢，需要能量最高的反應(yīng)決定總反應(yīng)速率，所以決定反應(yīng)速率的一步是b；

③根據(jù)能量圖，反應(yīng)物的總能量高于產(chǎn)物的總能量，則反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0；

(2)①正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，相同壓強下，溫度越高，對應(yīng)NH3的含量越小，所以圖中溫度T1、T2、T3大小關(guān)系是T3＞T2＞T1；

②設(shè)M點N2反應(yīng)的物質(zhì)的量為xmol，反應(yīng)三段式為：

M點平衡時NH3的質(zhì)量分數(shù)為40%，即=40%，可得x=2，則平衡時c(N2)=3mol/L，c(H2)=9mol/L，c(NH3)=4mol/L，平衡常數(shù)為K==7.32×10-3；

(3)①根據(jù)裝置電極b上MV2+轉(zhuǎn)化為MV+可知，b電極為正極、a電極為負極，原電池工作時，電子從負極a電極經(jīng)過導(dǎo)線流向正極b電極，即a→b；

②固氮酶區(qū)域中N2轉(zhuǎn)化為NH3，MV+轉(zhuǎn)化為MV2+，根據(jù)得失電子守恒、原子守恒和電荷守恒，所以發(fā)生的反應(yīng)為：N2+6H++6MV+=2NH3+6MV2+；

③該電化學(xué)裝置工作時，可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時利用生物酶在室溫下合成氨，不需要高溫條件、反應(yīng)條件溫和，所以與傳統(tǒng)化工工藝相比，該工藝的優(yōu)點為：條件溫和、生成氨的同時釋放電能。