Question

【題目】合成氨是人類科學技術發展史上的一項重大突破，2018年是合成氨工業先驅哈伯（P·Haber）獲得諾貝爾獎100周年

(1)合成氨反應是一個可逆反應：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），已知298K時：ΔH=-92.2kJ/mol，ΔS=-198.2J/(K·mol)，則根據正反應的焓變和熵變分析，常溫下合成氨反應____（填“能”或“不能”）自發進行。實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參加反應的物質的濃度的關系式如下，v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，k為速率常數，請根據該關系式分析，如果想增大合成氨反應的速率，從濃度的角度可以采用的措施為________。根據合成氨反應的特點，請再說出一項能夠提高合成氨反應速率的措施_________。

(2)研究表明，在Fe催化劑作用下合成氨的反應歷程為（*表示吸附態）：

化學吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*;

表面反應：N*+H*NH*；NH*+H*NH2*;NH2*+H*NH3*

脫 附：NH3*NH3(g)

其中，N2的吸附分解反應速率慢，解決了合成氨的整體反應速率。

實際生產中，合成氨常用工藝條件：Fe作催化劑，控制溫度773K，壓強3.0×107Pa，原料中N2和H2物質的量之比為1：2.8。請回答：

①分析說明原料中N2過量的理由____________。

②近年來，中國科學院大連化學物理研究所陳平研究團隊經過近二十年的積累，先后在催化劑分解、催化氨合成、化學鏈合成氨等方面取得重要進展。關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現氨的低溫高效合成

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

C.陳平團隊首次報道了具有優異低溫活性的LiH-3d過渡金屬這一復合催化劑體系，它可以大大提高反應的平衡轉化率

D.N2的吸附分解反應活化能高，是合成氨反應條件苛刻的重要原因

E.陳平團隊構建了一條基于可再生能源的化學鏈合成氨工藝流程，可以顯著提高能效

(3)若N2和H2生成NH3的反應為：N2(g)+H2(g)NH3(g)，的標準平衡常數,其中為標準大氣壓(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)為平衡系統中NH3的物質的量分數。

①N2和H2起始物質的量之比為1：3，反應在恒定溫度和標準壓強下進行，NH3的平衡產率為，則_________(用含的最簡式表示）

②根據合成氨反應的特點，標準平衡常數隨溫度T升高而逐漸______（填“增大”或“減小”）。

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

Answer 1

【答案】能 增加原料氣濃度(加壓)或及時將氨氣移走 使用合適的催化劑或者升高反應溫度 原料氣中N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉化率，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速率 ADE 減小 陰 N2+6e-+6H+=2NH3

【解析】

(1)根據△G=△H-T△S<0，反應可自發進行，若△G>0，反應不能自發進行判斷；根據在其他條件不變時，增大濃度、升高溫度等影響化學反應速率的因素分析判斷；

(2) ①從原料獲得的難易及平衡移動角度分析N2過量的原因；

②從研究目的、反應速率、化學平衡移動角度、催化劑的活性、物質平衡轉化率等角度分析判斷；

(3)①用平衡三段式法計算；

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

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

(2)①反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中n(N2)：n(H2)=1:3，而實際加入兩種原料氣時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，可以降低生產成本，而且該反應是可逆反應，在其它條件不變時，增大反應物的濃度，化學平衡正向移動，氮氣適度過量有利于提高H2的轉化率，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速率；

②A.用該方法合成氨氣目的是研究反應原理，盡可能從理論上實現氨的低溫高效合成，降低氨的生產成本，為農業增產、創收，A正確；

B.合成氨氣的反應是放熱反應，控制合成氨氣的溫度(773K)遠于室溫，是因為在該溫度下催化劑的活性最大，而且溫度高，可以適當加快反應速率，但溫度高不利于平衡正向移動，B錯誤；

C.催化劑可以加快反應速率，但不能使平衡發生移動，因此不能改變物質平衡轉化率，C錯誤；

D.N2的吸附分解反應活化能高，反應就難以發生，所以導致合成氨反應條件高，是合成氨氣苛刻的重要原因，D正確；

E.陳平團隊構建了一條基于可再生能源的化學鏈合成氨工藝流程，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；

故合理選項是ADE；

(3)①合成氨的反應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合成氨反應是放熱反應，溫度T升高，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，所以標準平衡常數減小；

(4)根據圖示可知H2在鈀電極B上失去電子，發生氧化反應，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獲得電子變為N3-，并與H+結合形成NH3，所以陰極的電極反應式為：N2+6e-+6H+=2NH3。