備考2025屆高考化學一輪復習強化訓練第七章化學反應速率和化學平衡第4講化學反應的方向和化學反應的調(diào)控熱力學動力學視角-工業(yè)合成氨

素養(yǎng)：熱力學、動力學視角——工業(yè)合成氨命題特點：工業(yè)合成氨的催化轉(zhuǎn)化，實際應用。合成條件優(yōu)化→速率和平衡角度→催化劑活性→實際生產(chǎn)設(shè)備要求→變更條件對實際產(chǎn)率影響大小。合成氨是人工固氮最重要的途徑。要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，應從化學反應的限度和反應速率兩方面選擇相宜的生產(chǎn)條件。1.工業(yè)上多相催化合成氨。在工業(yè)合成氨的過程中，結(jié)合生產(chǎn)實際應用熱力學、動力學分析，選擇合成氨的相宜條件，培育綜合應用多視角解決實際問題的實力。2.在室溫下實現(xiàn)氨的合成，以氮氣和氫氣為原料，利用燃料電池合成氨。1.[2024貴陽摸底考試]一種在常溫、常壓下催化電解實現(xiàn)工業(yè)合成氨反應的工藝為2N2（g）＋6H2O（l）?4NH3（g）＋3O2（g）ΔH1＝＋1530kJ·mol－1。該反應可分兩步完成：反應ⅠN2（g）＋3H2（g）?2NH3（g）ΔH2＝－92.4kJ·mol－1反應Ⅱ2H2O（l）?2H2（g）＋O2（g）ΔH3（1）ΔH3＝＋571.6kJ·mol－1。（2）將1.00molN2和3.00molH2充入3L的恒容密閉容器中模擬反應Ⅰ：①該反應中物質(zhì)濃度隨時間變更的曲線如圖甲所示，0～10min內(nèi)，v（H2）＝0.075mol·L－1·min－1。②不同溫度和壓強下測得平衡時混合物中氨的體積分數(shù)與溫度的關(guān)系如圖乙所示，則B、C兩點的平衡常數(shù)KB＝KC（填“＞”“＜”“＝”或“不確定”）；B點時N2的轉(zhuǎn)化率＝82％（保留2位有效數(shù)字）。（3）從圖乙中獲知反應Ⅰ存在著高溫降低平衡產(chǎn)率與低溫降低反應速率等調(diào)控沖突。在工業(yè)生產(chǎn)中為提高合成氨的產(chǎn)率，通常從以下多個視角來綜合考慮合理的工業(yè)生產(chǎn)條件：反應速率的視角：①加入催化劑②提高溫度（限制在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)）；平衡移動和原料的轉(zhuǎn)化率的視角：③增大壓強④增大N2的濃度。（4）科學家為避開干脆破壞鍵而消耗大量熱能，通過新型催化劑降低了反應路徑（如圖丙）中決速步的能壘，使該反應在常溫、常壓下接受電化學方法也能實現(xiàn)，反應裝置如圖丁所示：①反應路徑中的決速步為Ⅱ（填“Ⅰ”“Ⅱ”“Ⅲ”或“Ⅳ”）。②陰極上的電極反應式為N2＋6H＋＋6e－2NH3。解析（1）由蓋斯定律知，ΔH3＝ΔH1－2ΔH23＝＋571.6kJ·mol－1。（2）①由圖甲可知，從反應起先到達到平衡，X、Y的濃度變更量分別為0.50mol·L－1和0.75mol·L－1，變更量之比為2∶3，所以X為NH3、Y為H2，則0～10min內(nèi)v（H2）＝0.75mol·L－1÷10min＝0.075mol·L－1·min－1。②由于B、C兩點的溫度相同，平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，因此KB＝KC；B點平衡體系中氨的體積分數(shù)為70％，設(shè)氮氣的轉(zhuǎn)化率為x，則平衡時氫氣和氨氣的變更量分別為3xmol和2xmol，平衡體系中共有（4－2x）mol氣體，所以2x4－2x×100％＝70％，解得x≈82％。（3）依據(jù)影響平衡移動的因素分析，該反應是氣體分子數(shù)減小的反應，增大壓強可以使平衡正向移動，從而提高原料轉(zhuǎn)化率；N2較易得到、價廉，增大N2的濃度也可使平衡正向移動，同時能提高H2的轉(zhuǎn)化率。（4）①反應路徑中的決速步為活化能最高的一步，故決速步為Ⅱ。②與電源負極相連的電極為陰極，陰極發(fā)生還原反應，電極反應式為2.[2024新課標卷改編]氨是最重要的化學品之一，我國目前氨的生產(chǎn)實力位居世界首位。合成氨反應12N2（g）＋32H2（g）NH3（g）的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1（1）探討表明，合成氨反應在Fe催化劑上可能通過圖2機理進行（*表示催化劑表面吸附位，N2*表示被吸附于催化劑表面的N2）。推斷上述反應機理中，速率限制步驟（即速率最慢步驟）為（ⅱ）（填步驟前的標號），理由是氮氮三鍵的鍵能最大，使其斷裂須要（?。㎞2（g）＋*?（ⅱ）N2*＋*?（ⅲ）H2（g）＋*?（ⅳ）H2*＋*?（ⅴ）N*＋H*?NH*＋*……（…）NH3*?NH3（g圖2反應機理（2）在不同壓強下，以兩種不同組成進料，反應達平衡時氨的摩爾分數(shù)與溫度的計算結(jié)果如下圖所示。其中一種進料組成為xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一種為xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。（物質(zhì)i的摩爾分數(shù)：x①圖中壓強由小到大的依次為p1＜p2＜p3，推斷的依據(jù)是工業(yè)合成氨為氣體分子數(shù)減小的反應，增大壓強，平衡正向移動，溫度相同時，壓強越大，平衡時氨的摩爾分數(shù)越大。②進料組成中含有惰性氣體Ar的圖是圖4。③圖3中，當p2＝20MPa、xNH3＝0.20時，氮氣的轉(zhuǎn)化率α＝33.33％。該溫度時，反應12N2（g）＋32H2（g）?NH3（g）的平衡常數(shù)Kp＝3解析（1）依據(jù)圖1能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，鍵能：鍵＞H—H鍵，斷裂鍵須要吸取的能量最多，結(jié)合圖2反應機理知，步驟（ⅱ）為該反應的速率限制步驟。（2）①工業(yè)合成氨為氣體分子數(shù)減小的反應，當溫度相同時，壓強越大，平衡時混合氣體中氨的摩爾分數(shù)越大，結(jié)合圖3或圖4均能得出壓強由小到大的依次為p1＜p2＜p3。②Ar不參加化學反應，含Ar的進料組成中H2、N2的分壓較小，導致平衡時混合氣體中氨的摩爾分數(shù)減小，結(jié)合兩圖可知，圖4表示進料組成中含有Ar。③結(jié)合p2＝20MPa、xNH3＝0.20，以及圖3對應的進料氣的組成，設(shè)進料氣中N2和H2的物質(zhì)的量分別為0.25mol和0.75mol，達平衡時N2的轉(zhuǎn)化量為xmol，列“三段式”12N2（g）＋32H2（g）?NH3（起始量/mol0.250.750變更量/molx3x2x平衡量/m