Question

地球上的氮元素对动植物有重要作用，其中氨的合成与应用是当前的研究热点。人工固氮最主要的方法是Haber—Bosch法。通常用以铁为主的催化剂在400～500℃和10～30MPa的条件下，由氮气和氢气直接合成氨。

在Fe催化剂作用下的反应历程为（*表示吸附态）：

化学吸附：N₂(g)→2N^* ；H₂(g)→2H^*；

表面反应：N^*+H^*⇌NH^*；NH^*+H^*⇌NH₂^*；NH₂^*+H^*⇌NH₃^*；

脱附：NH₃^*⇌NH₃(g)

其中，N₂的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。

请回答：

(1)已知合成氨反应中生成1 mol NH₃放出46kJ热量，该反应的热化学方程式为______

(2)实际生产中，原料气中N₂和H₂物质的量之比为1：2.8。分析说明原料气中N₂过量的理由________。

(3)关于合成氨工艺的下列理解，正确的是____________。

A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零

B．控制温度远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率

C．基于NH₃有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行

D．原料中N₂由分离空气得到，H₂由天然气与水蒸气反应生成，原料气需要经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生

(4)已知反应：N₂(g)+H₂(g)⇌NH₃(g)标准平衡常数,其中为标准压强（1×10⁵Pa），、和为各组分的平衡分压，如：=，p为平衡总压，为平衡系统中NH₃的物质的量分数。

若N₂和H₂起始物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，N₂的平衡转化率为，则=_________（用含的最简式表示）。

(5)常温常压下电解法合成氨的原理如图所示：

①阴极生成氨的电极反应式为__________。

②阳极产物只有O₂，电解时实际生成的NH₃的总量远远小于由O₂理论计算所得NH₃的量，结合电极反应式解释原因：___________________。

Answer

N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 原料气中N2：相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。 ACD N2+6H++6e-=2NH3 还可能发生2H++2e-=H2↑，N2+8H++6e-=2NH4+

【解析】

（1）已知合成氨反应中生成1 mol NH3放出46kJ热量，则2mol NH3放出92 kJ热量，该反应的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 ，故答案为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92kJ﹒mol-1 ；

（2）实际生产中，原料气中N2和H2物质的量之比为1：2.8。原料气中N2过量的理由原料气中N2，相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。故答案为：原料气中N2，相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率；

（3）A．合成氨反应是气体体积减小的放热反应，在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零，故A正确；

B．控制温度远高于室温，是为了保证催化剂活性最高，故B错误；

C．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，减小生成物浓度，利于反应正向进行，故C正确；

D．原料中N2由分离液态空气得到，H2由天然气与水蒸气反应生成，原料气需要经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，故D正确；

故答案为：ACD；

（4）若N2和H2起始物质的量之比为1：3，反应在恒定温度和标准压强下进行，N2的平衡转化率为，

平衡混合气体总物质的量=[0.5（1-a）+1.5（1-a）+a]mol=（2-a）mol，p为平衡时压强，p（N2）= ，p（H2）=，p（NH3）=，Kθ= ，则Kθ=（用含的最简式表示）。故答案为：；

（5）①阴极与电源负极相连，为N2放电生成NH3，阴极生成氨的电极反应式为N2+6H++6e-=2NH3 ；故答案为：N2+6H++6e-=2NH3 ；

②电解时实际生成的NH3的总量远远小于由O2理论计算所得NH3的量，原因是电解时，阴极除了N2得电子外，还可能发生N2+8H＋+6e－=2NH4＋，2H＋+2e－=H2。故答案为：还可能发生2H++2e-=H2↑，N2+8H++6e-=2NH4+。