题目内容
【题目】合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大突破，2018年是合成氨工业先驱哈伯（P·Haber）获得诺贝尔奖100周年
(1)合成氨反应是一个可逆反应：N2（g）+3H2（g）
2NH3（g），已知298K时：ΔH=-92.2kJ/mol，ΔS=-198.2J/(K·mol)，则根据正反应的焓变和熵变分析，常温下合成氨反应____（填“能”或“不能”）自发进行。实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式如下，v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，k为速率常数，请根据该关系式分析，如果想增大合成氨反应的速率，从浓度的角度可以采用的措施为________。根据合成氨反应的特点，请再说出一项能够提高合成氨反应速率的措施_________。
(2)研究表明，在Fe催化剂作用下合成氨的反应历程为（*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的吸附分解反应速率慢，解决了合成氨的整体反应速率。
实际生产中，合成氨常用工艺条件：Fe作催化剂，控制温度773K，压强3.0×107Pa，原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8。请回答：
①分析说明原料中N2过量的理由____________。
②近年来，中国科学院大连化学物理研究所陈平研究团队经过近二十年的积累，先后在催化剂分解、催化氨合成、化学链合成氨等方面取得重要进展。关于合成氨工艺的下列理解，正确的是______。
A.人们对合成氨研究的重要目的之一是要实现氨的低温高效合成
B.控制温度（773K）远于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
C.陈平团队首次报道了具有优异低温活性的LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，它可以大大提高反应的平衡转化率
D.N2的吸附分解反应活化能高，是合成氨反应条件苛刻的重要原因
E.陈平团队构建了一条基于可再生能源的化学链合成氨工艺流程，可以显著提高能效
(3)若N2和H2生成NH3的反应为：
N2(g)+
H2(g)NH3(g)，的标准平衡常数
,其中
为标准大气压(1×105Pa)，
、
和
为各组分的平衡分压，如P(NH3)=x(NH3) P，P为平衡总压，x(NH3)为平衡系统中NH3的物质的量分数。
①N2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，NH3的平衡产率为
，则
_________(用含的最简式表示）
②根据合成氨反应的特点，标准平衡常数
随温度T升高而逐渐______（填“增大”或“减小”）。
(4)希腊两位科学家曾经采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶体薄膜做电极，实现了常压、570℃条件下高转化率的电解法合成氨（装置如图）。钯电极A为______极（填“阴”或“阳”），该极上的电极反应式是___________。
【答案】能 增加原料气浓度(加压)或及时将氨气移走 使用合适的催化剂或者升高反应温度 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定速率的步骤，适度过量有利于提高整体反应速率 ADE 
减小 阴 N2+6e-+6H+=2NH3
【解析】
(1)根据△G=△H-T△S<0，反应可自发进行，若△G>0，反应不能自发进行判断；根据在其他条件不变时，增大浓度、升高温度等影响化学反应速率的因素分析判断；
(2) ①从原料获得的难易及平衡移动角度分析N2过量的原因；
②从研究目的、反应速率、化学平衡移动角度、催化剂的活性、物质平衡转化率等角度分析判断；
(3)①用平衡三段式法计算；
(4)根据图示可知H2在钯电极B上失去电子，发生氧化反应，N2在钯电极A上获得电子，发生还原反应分析。
(1)△G=△H-T△S=-92.2kJ/mol -298K×[-198.2J/(K·mol)]= -92.2kJ/mol+59.0636kJ/mol=-33.14kJ/mol<0，所以反应能自发进行；N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)是有气体参加的反应，所以在其它条件不变时，增大原料气的浓度(或增大压强)化学反应速率加快，也可以在在其它条件不变时，通过减小生成物的浓度(即将氨气及时移走)也可以增大合成氨反应的速率；合成氨气的反应是气体体积减小的放热反应，可以提高反应速率的措施还有如使用催化剂、或升高反应体系的温度等；
(2)①反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中n(N2)：n(H2)=1:3，而实际加入两种原料气时n(N2)：n(H2)=1：2.8>1:3，加入的N2过量是由于原料气中N2相对易得，可以降低生产成本，而且该反应是可逆反应，在其它条件不变时，增大反应物的浓度，化学平衡正向移动，氮气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定速率的步骤，适度过量有利于提高整体反应速率；
②A.用该方法合成氨气目的是研究反应原理，尽可能从理论上实现氨的低温高效合成，降低氨的生产成本，为农业增产、创收，A正确；
B.合成氨气的反应是放热反应，控制合成氨气的温度(773K)远于室温，是因为在该温度下催化剂的活性最大，而且温度高，可以适当加快反应速率，但温度高不利于平衡正向移动，B错误；
C.催化剂可以加快反应速率，但不能使平衡发生移动，因此不能改变物质平衡转化率，C错误；
D.N2的吸附分解反应活化能高，反应就难以发生，所以导致合成氨反应条件高，是合成氨气苛刻的重要原因，D正确；
E.陈平团队构建了一条基于可再生能源的化学链合成氨工艺流程，就可以提高原料利用率，降低成本，从而可以显著提高能效，E正确；
故合理选项是ADE；
(3)①合成氨的反应
N2(g)+
H2(g)NH3(g)
起始量(mol) 1 3 0
变化量(mol) ω 3ω 2ω
平衡量(mol) 1-ω 3-3ω 2ω
x(NH3)%=
；x(N2)%=
；x(H2)=
；
，化简整理可得
；
②合成氨反应是放热反应，温度T升高，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，所以标准平衡常数
减小；
(4)根据图示可知H2在钯电极B上失去电子，发生氧化反应，所以B电极为阳极，H2-2e-=2H+；N2在钯电极A上获得电子，所以A电极为阴极，N2获得电子变为N3-，并与H+结合形成NH3，所以阴极的电极反应式为：N2+6e-+6H+=2NH3。
