Question

【題目】地球上的氮元素對動植物有重要作用，其中氨的合成與應(yīng)用是當(dāng)前的研究熱點。人工固氮最主要的方法是Haber—Bosch法。通常用以鐵為主的催化劑在400～500℃和10～30MPa的條件下，由氮氣和氫氣直接合成氨。

在Fe催化劑作用下的反應(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)活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。

請回答：

(1)已知合成氨反應(yīng)中生成1 mol NH3放出46kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為______

(2)實際生產(chǎn)中，原料氣中N2和H2物質(zhì)的量之比為1：2.8。分析說明原料氣中N2過量的理由________。

(3)關(guān)于合成氨工藝的下列理解，正確的是____________。

A．合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零

B．控制溫度遠高于室溫，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．基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化，不斷將液氨移去，利于反應(yīng)正向進行

D．原料中N2由分離空氣得到，H2由天然氣與水蒸氣反應(yīng)生成，原料氣需要經(jīng)過凈化處理，以防止催化劑中毒和安全事故發(fā)生

(4)已知反應(yīng)：N2(g)+H2(g)NH3(g)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù),其中為標(biāo)準(zhǔn)壓強（1×105Pa），、和為各組分的平衡分壓，如：=，p為平衡總壓，為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分數(shù)。

若N2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)壓強下進行，N2的平衡轉(zhuǎn)化率為，則=_________（用含的最簡式表示）。

(5)常溫常壓下電解法合成氨的原理如圖所示：

①陰極生成氨的電極反應(yīng)式為__________。

②陽極產(chǎn)物只有O2，電解時實際生成的NH3的總量遠遠小于由O2理論計算所得NH3的量，結(jié)合電極反應(yīng)式解釋原因：___________________。

Answer 1

【答案】N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 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速步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率。 ACD N2+6H++6e-=2NH3 還可能發(fā)生2H++2e-=H2↑，N2+8H++6e-=2NH4+

【解析】

（1）已知合成氨反應(yīng)中生成1 mol NH3放出46kJ熱量，則2mol NH3放出92 kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 ，故答案為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 ；

（2）實際生產(chǎn)中，原料氣中N2和H2物質(zhì)的量之比為1：2.8。原料氣中N2過量的理由原料氣中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速步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率。故答案為：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速步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率；

（3）A．合成氨反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零，故A正確；

B．控制溫度遠高于室溫，是為了保證催化劑活性最高，故B錯誤；

C．基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化，不斷將液氨移去，減小生成物濃度，利于反應(yīng)正向進行，故C正確；

D．原料中N2由分離液態(tài)空氣得到，H2由天然氣與水蒸氣反應(yīng)生成，原料氣需要經(jīng)過凈化處理，以防止催化劑中毒和安全事故發(fā)生，故D正確；

故答案為：ACD；

（4）若N2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)壓強下進行，N2的平衡轉(zhuǎn)化率為，

平衡混合氣體總物質(zhì)的量=[0.5（1-a）+1.5（1-a）+a]mol=（2-a）mol，p為平衡時壓強，p（N2）= ，p（H2）=，p（NH3）=，Kθ= ，則Kθ=（用含的最簡式表示）。故答案為：；

（5）①陰極與電源負極相連，為N2放電生成NH3，陰極生成氨的電極反應(yīng)式為N2+6H++6e-=2NH3 ；故答案為：N2+6H++6e-=2NH3 ；

②電解時實際生成的NH3的總量遠遠小于由O2理論計算所得NH3的量，原因是電解時，陰極除了N2得電子外，還可能發(fā)生N2+8H＋+6e－=2NH4＋，2H＋+2e－=H2。故答案為：還可能發(fā)生2H++2e-=H2↑，N2+8H++6e-=2NH4+。