备考2024届高考化学一轮复习强化训练第七章化学反应速率和化学平衡第4讲化学反应的方向和化学反应的调控热力学动力学视角__工业合成氨

这是一份备考2024届高考化学一轮复习强化训练第七章化学反应速率和化学平衡第4讲化学反应的方向和化学反应的调控热力学动力学视角__工业合成氨，共4页。试卷主要包含了工业上多相催化合成氨等内容，欢迎下载使用。

合成氨是人工固氮最重要的途径。要实现合成氨的工业化生产，应从化学反应的限度和反应速率两方面选择适宜的生产条件。
1.工业上多相催化合成氨。在工业合成氨的过程中，结合生产实际应用热力学、动力学分析，选择合成氨的适宜条件，培养综合应用多视角解决实际问题的能力。
2.在室温下实现氨的合成，以氮气和氢气为原料，利用燃料电池合成氨。
1.[2024贵阳摸底考试]一种在常温、常压下催化电解实现工业合成氨反应的工艺为2N2（g）＋6H2O（l）⇌ 4NH3（g）＋3O2（g） ΔH1＝＋1 530 kJ·ml－1。该反应可分两步完成：
反应Ⅰ N2（g）＋3H2（g）⇌ 2NH3（g） ΔH2＝－92.4 kJ·ml－1
反应Ⅱ 2H2O（l）⇌ 2H2（g）＋O2（g） ΔH3
（1）ΔH3＝ ＋571.6 kJ·ml－1。
（2）将1.00 ml N2和3.00 ml H2充入3 L的恒容密闭容器中模拟反应Ⅰ：
①该反应中物质浓度随时间变化的曲线如图甲所示，0～10 min内，v（H2）＝ 0.075 ml·L－1·min－1 。
②不同温度和压强下测得平衡时混合物中氨的体积分数与温度的关系如图乙所示，则B、C两点的平衡常数KB ＝ KC（填“＞”“＜”“＝”或“不确定”）；B点时N2的转化率＝ 82％ （保留2位有效数字）。
（3）从图乙中获知反应Ⅰ存在着高温降低平衡产率与低温降低反应速率等调控矛盾。在工业生产中为提高合成氨的产率，通常从以下多个视角来综合考虑合理的工业生产条件：
反应速率的视角：①加入催化剂 ②提高温度（控制在催化剂的活性温度范围内）；
平衡移动和原料的转化率的视角：③ 增大压强 ④ 增大N2的浓度 。
（4）科学家为避免直接破坏键而消耗大量热能，通过新型催化剂降低了反应路径（如图丙）中决速步的能垒，使该反应在常温、常压下采用电化学方法也能实现，反应装置如图丁所示：
①反应路径中的决速步为 Ⅱ （填“Ⅰ”“Ⅱ”“Ⅲ”或“Ⅳ”）。
②阴极上的电极反应式为 N2＋6H＋＋6e－ 2NH3 。
解析 （1）由盖斯定律知，ΔH3＝ΔH1－2ΔH23＝＋571.6 kJ·ml－1。（2）①由图甲可知，从反应开始到达到平衡，X、Y的浓度变化量分别为0.50 ml·L－1和0.75 ml·L－1，变化量之比为2∶3，所以X为NH3、Y为H2，则0～10 min内v（H2）＝0.75 ml·L－1÷10 min＝0.075 ml·L－1·min－1。②由于B、C两点的温度相同，平衡常数只与温度有关，因此KB＝KC；B点平衡体系中氨的体积分数为70％，设氮气的转化率为x，则平衡时氢气和氨气的变化量分别为3x ml和2x ml，平衡体系中共有（4－2x） ml气体，所以2x4－2x×100％＝70％，解得x≈82％。（3）根据影响平衡移动的因素分析，该反应是气体分子数减小的反应，增大压强可以使平衡正向移动，从而提高原料转化率；N2较易得到、价廉，增大N2的浓度也可使平衡正向移动，同时能提高H2的转化率。（4）①反应路径中的决速步为活化能最高的一步，故决速步为Ⅱ。②与电源负极相连的电极为阴极，阴极发生还原反应，电极反应式为N2＋6H＋＋6e－ 2NH3。
2.[2023新课标卷改编]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。合成氨反应12N2（g）＋32H2（g）NH3（g）的能量转换关系如图1所示。回答下列问题：
（1）研究表明，合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行（*表示催化剂表面吸附位，N2*表示被吸附于催化剂表面的N2）。判断上述反应机理中，速率控制步骤（即速率最慢步骤）为 （ⅱ） （填步骤前的标号），理由是 氮氮三键的键能最大，使其断裂需要的能量最多 。
（ⅰ）N2（g）＋*⇌N2*
（ⅱ）N2*＋*⇌2N*
（ⅲ）H2（g）＋*⇌H2*
（ⅳ）H2*＋*⇌2H*
（ⅴ）N*＋H*⇌NH*＋*
……
（…）NH3*⇌NH3（g）＋*
图2 反应机理
（2）在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一种为xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。（物质i的摩尔分数：xi＝ni/n总）
①图中压强由小到大的顺序为 p1＜p2＜p3 ，判断的依据是 工业合成氨为气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，温度相同时，压强越大，平衡时氨的摩尔分数越大 。
②进料组成中含有惰性气体Ar的图是 图4 。
③图3中，当p2＝20 MPa、xNH3＝0.20时，氮气的转化率α＝ 33.33％ 。该温度时，反应12N2（g）＋32H2（g）⇌NH3（g）的平衡常数Kp＝ 336 MPa－1（化为最简式）。
解析 （1）根据图1能量转换关系可知，键能：键＞H—H键，断裂键需要吸收的能量最多，结合图2反应机理知，步骤（ⅱ）为该反应的速率控制步骤。（2）①工业合成氨为气体分子数减小的反应，当温度相同时，压强越大，平衡时混合气体中氨的摩尔分数越大，结合图3或图4均能得出压强由小到大的顺序为p1＜p2＜p3。②Ar不参与化学反应，含Ar的进料组成中H2、N2的分压较小，导致平衡时混合气体中氨的摩尔分数减小，结合两图可知，图4表示进料组成中含有Ar。③结合p2＝20 MPa、xNH3＝0.20，以及图3对应的进料气的组成，设进料气中N2和H2的物质的量分别为0.25 ml和0.75 ml，达平衡时N2的转化量为x ml，列“三段式”：
12N2（g）＋32H2（g）⇌NH3（g）
起始量/ml 0.25 0.75 0
变化量/ml x 3x 2x
平衡量/ml 0.25－x 0.75－3x 2x
xNH3＝0.20，则2x（0.25－x）＋（0.75－3x）+2x＝0.20，解得x＝112，则N2的转化率α＝1120.25×100％≈33.33％。此时N2、H2、NH3对应的平衡分压分别为15p2、35p2、15p2，则Kp＝15p2（15p2）12·（35p2）32，整理并代入p2＝20 MPa得Kp＝336 MPa－1。