Question

【題目】合成氨對人類的生存和發(fā)展有著重要意義，1909年哈伯在實驗室中首次利用氮氣與氫氣反應(yīng)合成氨，實現(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)表達式為_____。

（2）請結(jié)合下列數(shù)據(jù)分析，工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反應(yīng)固氮的原因是______。

序號	化學(xué)反應(yīng)	K(298K)的數(shù)值
①	N2(g)+O2(g)2NO(g)	5×10-31
②	N2(g)+3H2(g)2NH3(g)	4.1×106

（3）對于反應(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/MPa	氨的平衡含量
200	10	81.5%
550	10	8.25%

①該反應(yīng)為______（填“吸熱”或“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氮氣和3mol氫氣，一段時間后達化學(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氮氣和3mol氫氣，氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率______（填“變大”“變小”或“不變”）。

（5）盡管哈伯的合成氨法被評為“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______。

Answer 1

【答案】 在298K，氮氣與氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)遠遠大于氮氣和氧氣反應(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)的表達式和意義進行分析；根據(jù)平衡移動原理分析化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)及其移動方向；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)表達式為。

(2)平衡常數(shù)越大，化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行的程度越大，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，氮氣與氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)遠遠大于氮氣和氧氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)，因此，工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反應(yīng)固氮。

(3)①由表中信息可知，在壓強相同的條件下，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氮氣和3mol氫氣，一段時間后達化學(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氮氣和3mol氫氣，則相當(dāng)于在原平衡的基礎(chǔ)上增大壓強，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，所以氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率變大。

(5)由電解法合成氨的原理示意圖可知，氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氮氣在陰極發(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。