36 第四板块 层级Ⅲ 活动项目(三) 合成氨的明天——展望未来，传承科学的火炬（Word教参）-【新高考方案】2024年高考化学二轮复习专题增分方略（新教材Ⅰ）

活动项目(三)　合成氨的明天——展望未来，传承科学的火炬 1．进入21世纪，合成氨工业面临着巨大的挑战，有人认为合成氨前景黯淡，将其称为“夕阳工业”，你认同这种说法吗？请说明理由。 提示：理由(一)不同意，全球每天依然有8亿以上的人处于饥荒状态，提升粮食产量是永恒的主题，氮肥的合成很重要。 理由(二)不同意，氨不仅可用于生产氮肥，而且在制药、印染、能源等领域发挥着不可或缺的作用，我们更需要探索氨的高效、绿色合成。 [教师评析] 大家的想法很具有前瞻性，氮元素是构成生命体的基本元素，在诸多非生物领域也应用广泛，不能武断地认为对催化合成氨不断研究只是为了寻找比哈伯-博施过程更高效率的方法，也不能简单地认为合成氨工业就是生产氮肥。合成氨反应将理论模型、实验过程、工业生产完美融合，合成氨仍然是制造新生命的关键反应。　　 2．展望未来合成氨工业的研究方向，尝试绘制你心中理想的合成氨装置。(开放性问题，合理即可) 提示：可以尝试改进电催化合成氨装置，用太阳能活化氮气分子(见图1)，或者将风能转化为电能，同时改变离子导体的种类，用水系电解质代替熔融盐电解质(见图2)，实现常温常压合成氨。 [类题迁移] (2023·潮州市二模)合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)是目前最有效的工业固氮方法，解决数亿人口生存问题。合成氨的反应历程和能量变化如图所示。请回答下列问题： (1)1 mol N2分子中π键数目为________NA，合成氨反应的热化学方程式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)对总反应速率影响较大的步骤的化学方程式为________________________________。 (3)在t ℃、压强为0.9 MPa条件下，向一恒压密闭容器中通入氢氮比为3的混合气体，体系中气体的含量与时间变化关系如图所示： ①反应20 min达到平衡，试求0～20 min内氨气的平均反应速率v(NH3)＝________MPa·min－1，该反应的Kp＝________(用数字表达式表示)。(Kp为以分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数) ②以下叙述能说明该条件下反应达到平衡状态的是________________。 a．氨气的体积分数保持不变 b．容器中氢氮比保持不变 c．N2和NH3平均反应速率之比为1∶2 d．气体密度保持不变 ③若起始条件相同，在恒容容器中发生反应，则达到平衡时H2的含量符合图中________点(填“d”“e”“f”或“g”)。 (4)利用催化剂通过电化学反应在室温下合成氨的原理如图所示，该装置中阴极的电极反应式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)氮气分子的氮氮三键中含有1个σ键和2个π键，则1 mol氮气分子中π键数目为1 mol×2×NA mol－1＝2NA；由图可知，合成氨反应的反应热为ΔH＝(307.8＋100.0)kJ·mol－1－500 kJ·mol－1＝－92.2 kJ·mol－1，反应的热化学方程式为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。(2)由图可知，活化能最大的反应为2]2]2]2,9)＝0.2 MPa、0.9 MPa×＝0.6 MPa、0.9 MPa×＝0.1 MPa，则0～20 min内氨气的平均反应速率为＝0.005 MPa·min－1，反应的平衡常数Kp＝；②a.氨气的体积分数保持不变说明正、逆反应速率相等，反应已达到平衡，故正确；b.由质量守恒定律可知，反应中容器中氢氮比始终保持不变，则容器中氢氮比保持不变不能说明正、逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，故错误；c.氮气和氨气平均反应速率之比为1∶2，不能说明正、逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，故错误；d.由质量守恒定律可知，反应前后气体的质量相等，该反应为气体体积减小的反应，在恒压密闭容器中反应时，混合气体的密度增大，则混合气体的密度保持不变说明正、逆反应速率相等，反应已达到平衡，故正确；③该反应为气体体积减小的反应，若起始条件相同，恒压密闭容器相对恒容容器相当于增大压强，反应速率加快，达到平衡的时间减小，平衡向正反应方向移动，氢气