Question

【題目】合成氨對人類的生存和發(fā)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(yīng)合成氨，實現(xiàn)了人工固氮。

（1）反應(yīng)N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)的化學(xué)平衡常數(shù)表達式為______。

（2）請結(jié)合下列數(shù)據(jù)分析，工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反

應(yīng)固氮的原因是______。

序號	化學(xué)反應(yīng)	K(298K)的數(shù)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(yīng)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(yīng)為______（填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)。

② 其他條件不變時，溫度升高氨的平衡含量減小的原因是______（填字母序號）。

a. 溫度升高，正反應(yīng)速率減小，逆反應(yīng)速率增大，平衡逆向移動

b. 溫度升高，濃度商(Q)變大，Q > K，平衡逆向移動

c. 溫度升高，活化分子數(shù)增多，反應(yīng)速率加快

d. 溫度升高，K變小，平衡逆向移動

③ 哈伯選用的條件是550℃、10 MPa，而非200℃、10 MPa，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1 mol 氮氣和3 mol氫氣，一段時間后達化學(xué)平衡狀態(tài)。若保持其他條件不變，向上述平衡體系中再充入1 mol氮氣和3 mol 氫氣，氮氣的平衡轉(zhuǎn)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(xué)領(lǐng)域中最輝煌的成就”之一，但仍存在耗能高、產(chǎn)率低等問題。因此，科學(xué)家在持續(xù)探索，尋求合成氨的新路徑。下圖為電解法合成氨的原理示意圖，陰極的電極反應(yīng)式為______。

Answer 1

【答案】 氮氣與氫氣反應(yīng)的限度（或化學(xué)平衡常數(shù)）遠大于氮氣與氧氣反應(yīng)的 放熱 d 提高合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率 變大 N2 + 6e- + 6H+＝2NH3

【解析】

(1)根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)等于生成物濃度系數(shù)次方之積比反應(yīng)物濃度系數(shù)次方之積書寫平衡常數(shù)表達式；

(2)根據(jù)表格數(shù)據(jù)，通過比較氮氣與氫氣和氮氣與氧氣兩個反應(yīng)的平衡常數(shù)回答；

(3)①根據(jù)表格數(shù)據(jù)，升高溫度，氨的平衡含量減小，結(jié)合溫度對平衡的影響分析判斷；②其他條件不變時，溫度升高氨的平衡含量減小，是因為升高溫度，平衡逆向移動的結(jié)果，據(jù)此分析判斷；③盡管降低溫度有利于氨的合成，但溫度越低，反應(yīng)速率越慢，建立平衡需要的時間越長，據(jù)此分析解答；

(4)再平衡體系中再充入1 mol氮氣和3 mol 氫氣，相當(dāng)于增大壓強，結(jié)合壓強對平衡的影響分析解答；

(5)電解法合成氨，根據(jù)圖示，陰極上氮氣得到電子生成了氨氣，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式。

(1)化學(xué)平衡常數(shù)等于生成物濃度系數(shù)次方之積比反應(yīng)物濃度系數(shù)次方之積，故N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)的化學(xué)平衡常數(shù)表達式為K=，故答案為：K=；

(2)根據(jù)表格數(shù)據(jù)，氮氣與氫氣反應(yīng)的限度(或化學(xué)平衡常數(shù))遠大于氮氣與氧氣反應(yīng)的，因此工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣和氧氣反應(yīng)固氮，故答案為：氮氣與氫氣反應(yīng)的限度(或化學(xué)平衡常數(shù))遠大于氮氣與氧氣反應(yīng)的；

(3)①根據(jù)表格數(shù)據(jù)，升高溫度，氨的平衡含量減小，說明N2(g)+3H2(g)2NH3(g)平衡逆向移動，因此正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故答案為：放熱；

② a. 溫度升高，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率均增大，故a錯誤；b. 溫度升高，壓強不變，濃度商(Q)不變，但K減小，使得Q > K，平衡逆向移動，故b錯誤；c. 溫度升高，活化分子數(shù)百分數(shù)增大，活化分子數(shù)增多，反應(yīng)速率加快，但沒有解釋氨的平衡含量減小的原因，故c錯誤；d. 溫度升高，K變小，平衡逆向移動，使得氨的平衡含量減小，故d正確；故選d；

③盡管降低溫度有利于氨的合成，但溫度越低，反應(yīng)速率越慢，建立平衡需要的時間越長，因此哈伯選用的條件是550℃、10 MPa，而非200℃、10 MPa，可能的原因是提高合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，故答案為：提高合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率；

(4)一定溫度下，在容積恒定的密閉容器中充入1 mol 氮氣和3 mol氫氣，一段時間后達化學(xué)平衡狀態(tài)。若保持其他條件不變，向上述平衡體系中再充入1 mol氮氣和3 mol 氫氣，相當(dāng)于增大壓強，N2(g)+3H2(g)2NH3(g)平衡正向移動，氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率變大，故答案為：變大；

(5)根據(jù)圖示，電解法合成氨，陰極上氮氣得到電子生成了氨氣，電極反應(yīng)式為N2 + 6e- + 6H+ =2NH3，故答案為：N2 + 6e- + 6H+ =2NH3。