Question

合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。

（1）反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)的化学平衡常数表达式为_____。

（2）请结合下列数据分析，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是______。

序号	化学反应	K(298K)的数值
①	N2(g)+O2(g)2NO(g)	5×10^-31
②	N2(g)+3H2(g)2NH3(g)	4.1×10^6

（3）对于反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。

温度/℃	压强/MPa	氨的平衡含量
200	10	81.5%
550	10	8.25%

①该反应为______（填“吸热”或“放热”）反应。

②哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是______。

（4）一定温度下，在容积恒定的密闭容器中充入1mol氮气和3mol氢气，一段时间后达化学平衡状态。若保持其他条件不变，向上述平衡体系中再充入1mol氮气和3mol氢气，氮气的平衡转化率______（填“变大”“变小”或“不变”）。

（5）尽管哈伯的合成氨法被评为“20世纪科学领域中最辉煌的成就”之一，但仍存在耗能高、产率低等问题。因此，科学家在持续探索，寻求合成氨的新路径。如图为电解法合成氨的原理示意图，阴极的电极反应式为______。

Answer

在298K，氮气与氢气反应的化学平衡常数远远大于氮气和氧气反应的化学平衡常数 放热 在该条件下催化剂的活性最好，可以提高合成氨的化学反应速率 变大 N2+6e-+ 6H+=2 NH3

【解析】

根据化学平衡常数的表达式和意义进行分析；根据平衡移动原理分析化学反应的热效应及其移动方向；根据影响化学反应速率的因素分析合成氨条件的选择原因；根据电解原理分析电解法合成氨的原理。

(1)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化学平衡常数表达式为。

(2)平衡常数越大，化学反应向正反应方向进行的程度越大，即反应的限度越大，反应物的转化率越大。由表中数据可知，氮气与氢气反应的化学平衡常数远远大于氮气和氧气反应的化学平衡常数，因此，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮。

(3)①由表中信息可知，在压强相同的条件下，升高温度，氨的平衡含量减小，因此，该反应为放热反应。

②在工业生产中，注重的是生产效率，而化学反应速率决定了生产效率，哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是：在该条件下催化剂的活性最好，可以提高合成氨的化学反应速率。

(4)一定温度下，在容积恒定的密闭容器中充入1mol氮气和3mol氢气，一段时间后达化学平衡状态。若保持其他条件不变，向上述平衡体系中再充入1mol氮气和3mol氢气，则相当于在原平衡的基础上增大压强，化学平衡向正反应方向移动，所以氮气的平衡转化率变大。

(5)由电解法合成氨的原理示意图可知，氢气在阳极发生氧化反应，氮气在阴极发生还原反应，注意有H+参与阴极的电极反应，所以，阴极的电极反应式为N2+6e-+ 6H+=2 NH3。