活動項目(三)　合成氨的明天-展望未來傳承科學的火炬

1．進入21世紀，合成氨工業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，有人認為合成氨前景黯淡，將其稱為“夕陽工業(yè)”，你認同這種說法嗎？請說明理由。提示：理由(一)不同意，全球每天依然有8億以上的人處于饑荒狀態(tài)，提升糧食產量是永恒的主題，氮肥的合成很重要。理由(二)不同意，氨不僅可用于生產氮肥，而且在制藥、印染、能源等領域發(fā)揮著不可或缺的作用，我們更需要探索氨的高效、綠色合成?；顒禹椖?三)合成氨的明天——展望未來，傳承科學的火炬[教師評析]大家的想法很具有前瞻性，氮元素是構成生命體的基本元素，在諸多非生物領域也應用廣泛，不能武斷地認為對催化合成氨不斷研究只是為了尋找比哈伯-博施過程更高效率的方法，也不能簡單地認為合成氨工業(yè)就是生產氮肥。合成氨反應將理論模型、實驗過程、工業(yè)生產完美融合，合成氨仍然是制造新生命的關鍵反應。2．展望未來合成氨工業(yè)的研究方向，嘗試繪制你心中理想的合成氨裝置。(開放性問題，合理即可)提示：可以嘗試改進電催化合成氨裝置，用太陽能活化氮氣分子(見圖1)，或者將風能轉化為電能，同時改變離子導體的種類，用水系電解質代替熔融鹽電解質(見圖2)，實現(xiàn)常溫常壓合成氨。(1)1molN2分子中π鍵數(shù)目為________NA，合成氨反應的熱化學方程式為________________________________________________________________________________________________________________。(2)對總反應速率影響較大的步驟的化學方程式為________________________________。(3)在t

℃、壓強為0.9MPa條件下，向一恒壓密閉容器中通入氫氮比為3的混合氣體，體系中氣體的含量與時間變化關系如圖所示：①反應20min達到平衡，試求0～20min內氨氣的平均反應速率v(NH3)＝________MPa·min－1，該反應的Kp＝________(用數(shù)字表達式表示)。(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，分壓＝總壓×物質的量分數(shù))②以下敘述能說明該條件下反應達到平衡狀態(tài)的是________________。a．氨氣的體積分數(shù)保持不變b．容器中氫氮比保持不變c．N2和NH3平均反應速率之比為1∶2d．氣體密度保持不變③若起始條件相同，在恒容容器中發(fā)生反應，則達到平衡時H2的含量符合圖中________點(填“d”“e”“f”或“g”)。(4)利用催化劑通過電化學反應在室溫下合成氨的原理如圖所示，該裝置中陰極的電極反應式為__________________________________________________________________________________________。解析：(1)氮氣分子的氮氮三鍵中含有1個σ鍵和2個π鍵，則1mol氮氣分子中π鍵數(shù)目為1mol×2×NAmol－1＝2NA；由圖可知，合成氨反應的反應熱為ΔH＝(307.8＋100.0)kJ·mol－1－500kJ·mol－1＝－92.2kJ·mol－1，反應的熱化學方程式為N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH＝－92.2kJ·mol－1。b.由質量守恒定律可知，反應中容器中氫氮比始終保持不變，則容器中氫氮比保持不變不能說明正、逆反應速率相等，無法判斷反應是否達到平衡，故錯誤；c.氮氣和氨氣平均反應速率之比為1∶2，不能說明正、逆反應速率相等，無法判斷反應是否達到平衡，故錯誤；d.由質量守恒定律可知，反應前后氣體的質量相等，該反應為氣體體積減小的反應，在恒壓密閉容器中反應時，混合氣體的密度增大，則混合氣體的密度保持不變說明正、逆反應速率相等，反應已達到平衡，故正確；③該反應為氣體體積減小的反應，若起始條件相同，恒壓密閉容器相對恒容容器相當于增大壓強，反應速率加快，達到平衡的時間減小，平衡向正反應方向移動，氫氣的百分含量減小，則若起始條件相同，在恒容容器中發(fā)生反應，達到平衡所需時間大于恒壓密閉容器，氫氣的百分含量高于恒壓密閉容器，故選g。(4)由圖可知，與直流電源負極相連的電極為陰極，酸性條件下氮氣在陰極得到電子發(fā)生還原反應生成氨氣，電極反應式為N2＋6H＋＋6e－===2NH3。編號c(NH3)/(10－3mol·L－1)表面積/cm2時間/min020406080①a2.402.001.601.200.80②a1.200.800.40x

③2a2.401.600.800.400.40A．實驗①，0～20min，v(N2)＝1.00×10－5mol·L－1·min－1B．實驗②，60min時處于平衡狀態(tài)，x≠0.40C．相同條件下，增加氨氣的濃度，反應速率增大D．相同條件下，增加催化劑的表面積，反應速率增大答案：C

催化劑表面積大小只影響反應速率，不影響平衡，實驗③中氨氣初始濃度與實驗①中一樣，實驗③達到平衡時氨氣濃度為4.00×10－4mol·L－1，則實驗①達平衡時氨氣濃度也為4.00×10－4mol·L－1，而恒溫恒容條件下，實驗②相對于實驗①為減小壓強，平衡正向移動，因此實驗②60min時處于平衡狀態(tài)，即x≠0.4，B正確；對比實驗①②可知，相同條件下，增加氨氣濃度，反應速率并沒有增大，C錯誤；對比實驗①和實驗③，氨氣濃度相同，增加催化劑的表面積，反應速率增大，D正確。回答下列問題：(1)合成氨反應在常溫下____________(填“能”或“不能”)自發(fā)。(2)________溫(填“高”或“低”，下同)有利于提高反應速率，________溫有利于提高平衡轉化率，綜合考慮催化劑(鐵觸媒)活性等因素，工業(yè)常采用400～500℃。針對反應速率與平衡產率的矛盾，我國科學家提出了兩種解決方案。(3)方案一：雙溫-雙控-雙催化劑。使用Fe-TiO2－xHy雙催化劑，通過光輻射產生溫差(如體系溫度為495℃時，F(xiàn)e的溫度為547℃，而TiO2－xHy的溫度為415℃)。下列說法正確的是____________。a．氨氣在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡產率b．N≡N在“熱Fe”表面斷裂，有利于提高合成氨反應速率c．“熱Fe”高于體系溫度，有利于提高氨的平衡產率d．“冷Ti”低于體系溫度，有利于提高合成氨反應速率(4)方案二：M-LiH復合催化劑。下列說法正確的是____________。a．300℃時，復合催化劑比單一催化劑效率更高b．同溫同壓下，復合催化劑有利于提高氨的平衡產率c．溫度越高，復合催化劑活性一定越高實驗c(N2)/(mol·L－1)c(H2)/(mol·L－1)c(NH3)/(mol·L－1)v/(mol·L－1·s－1)1mnpq22mnp2q3mn0.1p10q4m2np2.828q在合成氨過程中，需要不斷分離出氨的原因為______________。a．有利于平衡正向移動b．防止催化劑中毒c．提高正反應速率解析：(1)對于合成氨反應，常溫下，ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.4kJ·mol－1－298K×(－0.2kJ·K－1·mol－1)＝－32.8kJ·mol－1<0，故合成氨反應在常溫下能自發(fā)進行。(2)其他條件一定時，升高溫度，可以提供更高的能量，使活化分子百分數(shù)增大，反應速率加快；合成氨反應是放熱反應，要提高平衡轉化率，即使反應平衡正向移動，應降低溫度。(3)a.因為正反應為放熱反應，所以低溫有利于平衡正向移動，氨氣在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡產率，a正確；b.溫度升高，反應速率加快，所以N≡N在“熱Fe”表面斷裂，有利于提高合成氨反應速率，b正確；c.合成氨反應的正反應為放熱反應，“熱Fe”高于體系溫度，不利于提高氨的平衡產率，c不正確；d.溫度升高，可提高合成氨反應的速率，所以“冷Ti”低于體系溫度，不利于提高合成氨反應速率，d不正確。(4)由題圖可知，300℃時，復合催化劑催化時合成氨反應的反應速率比單一催化劑催化時大很多，說明300℃時復合催化