Question

【題目】合成氨對人類的生存和發展有著重要意義，1909年哈伯在實驗室中首次利用氮氣與氫氣反應合成氨，實現了人工固氮。

（1）反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化學平衡常數表達式為_____。

（2）請結合下列數據分析，工業上選用氮氣與氫氣反應固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反應固氮的原因是______。

序號	化學反應	K(298K)的數值
①	N2(g)+O2(g)2NO(g)	5×10-31
②	N2(g)+3H2(g)2NH3(g)	4.1×106

（3）對于反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，在一定條件下氨的平衡含量如下表。

溫度/℃	壓強/MPa	氨的平衡含量
200	10	81.5%
550	10	8.25%

①該反應為______（填“吸熱”或“放熱”）反應。

②哈伯選用的條件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是______。

（4）一定溫度下，在容積恒定的密閉容器中充入1mol氮氣和3mol氫氣，一段時間后達化學平衡狀態。若保持其他條件不變，向上述平衡體系中再充入1mol氮氣和3mol氫氣，氮氣的平衡轉化率______（填“變大”“變小”或“不變”）。

（5）盡管哈伯的合成氨法被評為“20世紀科學領域中最輝煌的成就”之一，但仍存在耗能高、產率低等問題。因此，科學家在持續探索，尋求合成氨的新路徑。如圖為電解法合成氨的原理示意圖，陰極的電極反應式為______。

Answer 1

【答案】 在298K，氮氣與氫氣反應的化學平衡常數遠遠大于氮氣和氧氣反應的化學平衡常數 放熱 在該條件下催化劑的活性最好，可以提高合成氨的化學反應速率 變大 N2+6e-+ 6H+=2 NH3

【解析】

根據化學平衡常數的表達式和意義進行分析；根據平衡移動原理分析化學反應的熱效應及其移動方向；根據影響化學反應速率的因素分析合成氨條件的選擇原因；根據電解原理分析電解法合成氨的原理。

(1)反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化學平衡常數表達式為。

(2)平衡常數越大，化學反應向正反應方向進行的程度越大，即反應的限度越大，反應物的轉化率越大。由表中數據可知，氮氣與氫氣反應的化學平衡常數遠遠大于氮氣和氧氣反應的化學平衡常數，因此，工業上選用氮氣與氫氣反應固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反應固氮。

(3)①由表中信息可知，在壓強相同的條件下，升高溫度，氨的平衡含量減小，因此，該反應為放熱反應。

②在工業生產中，注重的是生產效率，而化學反應速率決定了生產效率，哈伯選用的條件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是：在該條件下催化劑的活性最好，可以提高合成氨的化學反應速率。

(4)一定溫度下，在容積恒定的密閉容器中充入1mol氮氣和3mol氫氣，一段時間后達化學平衡狀態。若保持其他條件不變，向上述平衡體系中再充入1mol氮氣和3mol氫氣，則相當于在原平衡的基礎上增大壓強，化學平衡向正反應方向移動，所以氮氣的平衡轉化率變大。

(5)由電解法合成氨的原理示意圖可知，氫氣在陽極發生氧化反應，氮氣在陰極發生還原反應，注意有H+參與陰極的電極反應，所以，陰極的電極反應式為N2+6e-+ 6H+=2 NH3。