Question

合成氨是目前最有效工业固氮的方法，解决数亿人口生存问题。回答下列问题：

(1)科学家研究利用铁触媒催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“ad”表示。

由图可知合成氨反应N₂(g)+H₂(g)NH₃(g)的∆H=___ kJ·mol^-1。该历程中反应速率最慢的步骤的化学方程式为___。

(2)工业合成氨反应为：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)，当进料体积比V(N₂)：V(H₂)=1：3时平衡气体中NH₃的物质的量分数随温度和压强变化的关系如图所示：

①500℃时，反应平衡常数K_p(30MPa)___ K_p(100MPa)。（填“<”、“=”、“>”）

②500℃、30MPa时，氢气的平衡转化率为___（保留2位有效数字），K_p=___(MPa)^-2（列出计算式）。

(3)科学家利用电解法在常温常压下实现合成氨，工作时阴极区的微观示意如图，其中电解液为溶解有三氟甲磺酸锂和乙醇的惰性有机溶剂。

①阴极区生成NH₃的电极方程式为___。

②下列说法正确的是___（填标号）。

A．三氟甲磺酸锂的作用是增强导电性

B．该装置用金(Au)作催化剂目的是降低N₂的键能

C．选择性透过膜可允许N₂和NH₃通过，防止H₂O进入装置

Answer

-46 Nad+3HadNHad+2Had = 33% N2+6e-+6C2H5OH=2NH3+6C2H5O- AC

【解析】

(1)利用盖斯定律，起点为N2(g)+H2(g)，终点为NH3(g)，∆H=-46kJ·mol-1。该历程中反应速率最慢反应，是需吸热最多的反应，显然是吸热106 kJ·mol-1的反应。

(2)①500℃时，平衡常数不变。

②500℃、30MPa时，氨气的体积分数为20%，利用三段式，计算氢气平衡转化率及Kp。

(3)①从图中看，阴极区N2与C2H5OH反应生成NH3和C2H5O-。

②A．从阴极反应看，三氟甲磺酸锂并未参与反应，所以作用是增强导电性；

B．催化剂只能降低反应的活化能，不能降低键能；

C．从图中看，选择性透过膜可允许N2和NH3通过，但H2O不能透过。

(1)利用盖斯定律，起点为N2(g)+H2(g)，终点为NH3(g)，∆H=-46 kJ·mol-1。所以，合成氨反应N2(g)+H2(g) NH3(g) ∆H=-46 kJ·mol-1。该历程中反应速率最慢的反应，是需吸热最多的反应，显然是吸热106 kJ·mol-1的反应，化学方程式为Nad+3HadNHad+2Had。答案为：利用盖斯定律，起点为N2(g)+H2(g)，终点为NH3(g)，∆H=-46kJ·mol-1；Nad+3HadNHad+2Had；

(2)①因为平衡常数只受温度变化的影响，所以500℃时，反应平衡常数Kp(30MPa)= Kp(100MPa)；

②设参加反应N2的物质的量为x，建立三段式为：

则，x=，则N2的体积分数为=20%，H2的体积分数为60%，NH3的体积分数为20%。

500℃、30MPa时，氢气的平衡转化率为=33%，Kp=(MPa)-2；

(3)①从图中看，阴极区N2与C2H5OH反应生成NH3和C2H5O-，电极方程式为N2+6e-+6C2H5OH=2NH3+6C2H5O-；

②A．从阴极反应看，三氟甲磺酸锂并未参与反应，所以作用是增强导电性，A正确；

B．催化剂只能降低反应的活化能，不能降低键能，B不正确；

C．从图中看，选择性透过膜可允许N2和NH3通过，但H2O不能透过，C正确；

故合理选项是AC。