Question

【題目】以天然氣為原料合成氨是現(xiàn)代合成氨工業(yè)發(fā)展的方向與趨勢

（一）天然氣與氮?dú)鉃樵�料，以固態(tài)質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，在低溫常壓下通過電解原理制備氨氣如圖所示：

寫出在陰極表面發(fā)生的電極反應(yīng)式：_____________。

（二）天然氣為原料合成氨技術(shù)簡易流程如下：

一段轉(zhuǎn)化主要發(fā)生的反應(yīng)如下:

①CH4（g） +H2O（g） CO（g）+3H2（g） ΔH1 = 206 kJ·molˉ1

②CO（g） + H2O（g） CO2（g） + H2（g） ΔH2 = -41 kJ·molˉ1

二段轉(zhuǎn)化主要發(fā)生的反應(yīng)如下:

③2CH4（g）+ O2（g） 2CO（g）+4H2（g） ΔH3 = -71.2 kJ·molˉ1

④2CO（g） + O2（g） 2CO2（g） ΔH4 = -282 kJ·molˉ1

（1）已知CO中不含C=O，H－H的鍵能為436 kJ·molˉ1，H－O的鍵能為463 kJ·molˉ1，C－H的鍵能為414 kJ·molˉ1，試計(jì)算C=O的鍵能_________。

（2）實(shí)驗(yàn)室模擬一段轉(zhuǎn)化過程，在800oC下，向體積為1L的恒容密閉反應(yīng)器中，充入1mol的CH4與1mol的H2O，達(dá)到平衡時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率為40%，n（H2）為1.4mol，請(qǐng)計(jì)算反應(yīng)②的平衡常數(shù)_________。

（3）下列說法正確的是_________。

A．合成氨過程實(shí)際選擇的溫度約為700℃，溫度過高或過低都會(huì)降低氨氣平衡產(chǎn)率

B．上述工業(yè)流程中壓縮既能提高反應(yīng)速率又能提高合成氨的產(chǎn)率

C．二段轉(zhuǎn)化釋放的熱量可為一段轉(zhuǎn)化提供熱源，實(shí)現(xiàn)能量充分利用

D．二段轉(zhuǎn)化過程中，需嚴(yán)格控制空氣的進(jìn)氣量，否則會(huì)破壞合成氣中的氫氮比

（4）已知催化合成氨中催化劑的活性與催化劑的負(fù)載量、催化劑的比表面積和催化反應(yīng)溫度等因素有關(guān)，如圖所示：

①實(shí)驗(yàn)表明相同溫度下，負(fù)載量5%催化劑活性最好，分析負(fù)載量9%與負(fù)載量1%時(shí)，催化劑活性均下降的可能原因是________。

②在上圖中用虛線作出負(fù)載量為3%的催化劑活性變化曲線_______。

Answer 1

【答案】N2+6H++6e- = 2NH3 799.5kJ·molˉ1 3.5 BCD 負(fù)載量1%時(shí)，則負(fù)載量過低導(dǎo)致催化活性降低，負(fù)載量9%負(fù)載量雖高但催化劑的比表面積會(huì)降低而使催化活性降低

【解析】

(一)與外電源負(fù)極相連的為電解池陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，裝置中N2轉(zhuǎn)化為NH3，所以陰極表面發(fā)生的電極反應(yīng)：N2+6H++6e-=2NH3，故答案：N2+6H++6e- = 2NH3；

(二)(1)根據(jù)蓋斯定律可知將反應(yīng)①+②得到：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH =165kJ/mol，ΔH=4E(C-H)+4E(O-H)-2E(C=O)-4E(H-H)=4×414kJ/mol+4×463kJ/mol-2×E(C=O)-4×436kJ/mol=165kJ/mol，可得E(C=O)=799.5kJ/mol，故答案為：799.5kJ/mol；

(2)發(fā)生的反應(yīng)為① CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH1 = 206 kJ·molˉ1

解得x=0.2mol/L。反應(yīng)②的平衡常數(shù)K==3.5，故答案：3.5；

(3)A．合成氨的反應(yīng)為放熱過程，溫度升高降低平衡轉(zhuǎn)化率，故A錯(cuò)誤；

B．壓縮相當(dāng)于加壓，反應(yīng)向氣體分子數(shù)減少方向移動(dòng)，加壓有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，所以上述工業(yè)流程中壓縮既能提高反應(yīng)速率又能提高合成氨的產(chǎn)率，故B正確；

C．一段過程主要為吸熱過程，二段主要過程為放熱過程，因此可以通過傳熱裝置轉(zhuǎn)化釋放的熱量，可為一段反應(yīng)轉(zhuǎn)化提供熱源，實(shí)現(xiàn)能量充分利用，故C正確；

D．二段過程中主要是有O2參加反應(yīng)，可通過空氣來提供反應(yīng)所需要的O2，但需嚴(yán)格控制空氣的進(jìn)氣量，否則會(huì)發(fā)生其余副反應(yīng)，破壞合成氣中的氫氮比，故D正確；

故答案為：B、C、D；

(4)①負(fù)載量較低時(shí)，提供催化活性中心的活性位點(diǎn)不足，可能導(dǎo)致催化劑活性不夠，負(fù)載量過高，催化劑的比表面積會(huì)降低，導(dǎo)致催化劑活性中心位點(diǎn)過于擁擠，可能導(dǎo)致空間坍塌影響催化活性，故答案為：負(fù)載量1%時(shí),則負(fù)載量過低導(dǎo)致催化活性降低,負(fù)載量9%負(fù)載量雖高但催化劑的比表面積會(huì)降低而使催化活性降低；

②負(fù)載量為3%小于負(fù)載量5%，并且已知負(fù)載量1%時(shí)活性低于5%負(fù)載量，負(fù)載量為9%時(shí)高于負(fù)載量為1%的催化劑活性，但1%的負(fù)載量與9%的負(fù)載量所體現(xiàn)的催化活性及其接近，可推知低負(fù)載量對(duì)于催化劑活性的影響較之于高負(fù)載量對(duì)于催化劑活性的影響更大，則3%負(fù)載量的催化劑活性應(yīng)介于5%與9%之間的負(fù)載量之間的活性，所以作圖為：，故答案：。