Question

我国科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了在铁掺杂W18O49纳米反应器催化剂表面上实现常温低电位合成氨，获得较高的氨产量和法拉第效率。反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*标注。

（1）需要吸收能量最大的能垒（活化能）E=__ev，该步骤的化学方程式为___；

（2）对于合成氨反应N₂+3H₂2NH₃，在标况下，平衡常数K^θ=，其中p^θ为标准压强（1×10⁵Pa），p(NH₃)、p(N₂)和p(H₂)为各组分的平衡分压[已知p(NH₃)=x(NH₃)p，其中p为平衡总压，x(NH₃)为平衡系统中NH₃的物质的量分数]。

①若起始N₂和H₂物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，达到平衡时H₂的转化率为ɑ，则K^θ=___（用含ɑ的最简式表示）。

②图中可以示意标准平衡常数K^θ随温度T变化趋势的是___(填序号).

（3）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV²⁺/MV⁺在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。

该电池工作时，正极的电极反应为___。中间所用的交换膜应该为___（填“阳离子交换膜”或“阴离子交换膜”或“质子交换膜”）。相比现有工业合成氨，该方法的优点是：___。（任写一条）

Answer

1.54 NH3*+NH3=2NH3 A MV2++e-＝MV+ 质子交换膜 条件温和、生成氨的同时释放电能

【解析】

(1)吸收能量最大的能垒，即相对能量的差最大；根据图示写方程式；

(2)①若1mol N2和3mol H2完全反应，则理论上生成2molNH3，NH3的平衡产率为ɑ，则生成的NH3为2ɑmol，通过三段式计算有，平衡时混合气体的物质的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此时p(NH3)=pθ，p(N2)= pθ，p(H2)= pθ，根据Kθ=计算；

②升高温度，平衡逆向移动，Kθ减小；

(3)生物燃料电池的工作原理是N2+3H22NH3，其中N2在正极区得电子发生还原反应，H2在负极区失电子发生氧化反应，原电池工作时阳离子向正极区移动，据此分析判断。

(1)根据图示，吸收能量最大的能垒，即相对能量的差最大是-1.02-(-2.56)=1.54；根据图示，该步的方程式是NH3*+NH3=2NH3，故答案为：1.54；NH3*+NH3=2NH3；

(2) ①若1mol N2和3mol H2完全反应，则理论上生成2molNH3，NH3的平衡产率为ɑ，则生成的NH3为2ɑmol，通过三段式计算有，平衡时混合气体的物质的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此时p(NH3)=pθ，p(N2)= pθ，p(H2)= pθ，根据Kθ===，故答案为：；

②升高温度，平衡逆向移动，Kθ减小，ln Kθ减小，因此变化趋势的图为A，故答案为：A；

(3)正极区发生还原反应，电极上的反应为：MV2++e-＝MV+；右室氮气得电子，为正极区，氮气在固氮酶催化作用下发生反应N2＋6MV＋＋6H+＝2NH3＋6MV2＋，阳离子由负极移向正极，所以电池工作时，氢离子通过交换膜由负极区向正极区移动，交换膜应该为质子交换膜；传统工业合成氨反应条件为高温、高压、催化剂，反应条件苛刻，该方法制取氨气条件温和、生成氨的同时释放电能，故答案为：MV2++e-＝MV+；质子交换膜；条件温和、生成氨的同时释放电能。