35 第四板块 层级Ⅲ 活动项目(二) 合成氨的今天——立足当下，触摸前沿的方向（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Ⅱ 山东专用）

活动项目(二)　合成氨的今天——立足当下，触摸前沿的方向 设计意图：透过宏观现象剖析微观机理，在不断探究问题中引导学生通过数学推理、微观探析等方式进行证实或证伪，使课堂充满探索的体验和思考的快乐。让学生感受到合成氨反应看似简单，但其反应机理实则复杂且精彩；唯有透过现象看本质，才能抓住化学反应的关键环节，方能利用化学反应、改造化学反应，使之为生产生活服务。 (一)从宏观到微观，研究反应机理 “向空气要氮肥”路漫漫且荆棘遍布，以哈伯和博施为首的科学家一路披荆斩棘、上下求索，其远见卓识使人动容。史海漫溯，能站在巨人的肩膀上看世界何其荣幸。目光回到21世纪，让我们立足当下，触摸前沿方向。 1．德国化学家埃特尔因对工业合成氨的机理进行实证研究而获得2007年诺贝尔化学奖。他证实N2和H2在铁触媒表面合成氨的反应过程一般需经历扩散、吸附、表面反应、脱附、扩散等步骤，其各步反应的能量变化如图所示。描述反应历程，书写各步基元反应的化学方程式，并指出其中的决速步骤。 提示：用*表示吸附态，N2和H2在铁触媒表面的反应历程为吸附于催化剂：N2(g)―→N―→2N*、H2(g)―→2H*； 催化剂表面反应：N*＋H*NH*、NH*＋H*NH、NH＋H*NH； 从催化剂脱附：NHNH3(g)。 反应N*＋H*NH*的活化能最大，反应速率最慢，是合成氨的决速步骤。 2．工业生产中，原料气中N2和H2的比例为1∶2.8而非1∶3，试分析N2稍过量的原因。 提示：由微观机理图可知：催化反应需要经历多个步骤，反应更多发生在催化剂表面相邻的吸附态氮和吸附态氢之间。H2的吸附能力强于 N2，为了保持N2在催化剂表面有足够的吸附比率，应适当增大其分压。 3．为什么NH3的生成速率与NH3的分压成反比？尝试从多角度进行分析。 提示：由速率方程v＝k·c(N2)·c 1.5(H2) ·c－1(NH3)可知：降低NH3的分压对提高反应速率更有利。 适时分离出氨，降低NH3的分压，能提高氨的脱附速率，同时“腾出”催化剂活性中心，供进一步合成氨使用，提升催化效率。 (二)从传统到前沿，探索室温合成 [资料1]　N≡N的键能为942 kJ·mol－1，断裂该化学键所需的能量极高。 [资料2]　哈伯­博施工艺反应条件苛刻，需要在高温350～550 ℃、高压200～300 atm且铁基催化剂存在时进行。 [资料3]　据统计，合成氨工艺中全球年均消耗能源3.5亿吨，占能源供应总量的 1%以上；排放 CO2超过4亿吨，占排放总量的约1.6%。 1．结合资料推断，工业合成氨为什么条件苛刻、能耗巨大？ 提示：N≡N的键能很大，活化N2分子十分困难，高温高压是为了跨越反应的能垒。化石能源是制备 N2和H2的原料，提供反应条件和反应原料均需消耗较多能源。 2．为了降低反应活化能，预测当今科学家会朝着哪个方向努力？ 提示：寻找理想的催化剂降低合成氨反应的活化能，或者将电能、光能引入固氮过程，活化N2分子，改变反应历程。 3．为了实现氨的室温高效合成，当今科学家尤其是我国科学家取得了哪些突破？以小组为单位汇报文献调研成果，并尝试根据文献内容提出有价值的问题。(开放性问题，合理即可) 提示：①电催化合成氨。 我国在以H2O和N2为原料常压、中温电化学合成氨上取得了突破性进展。该方法以熔融 NaOH 和KOH 为电解质、悬浮的纳米Fe2O3为催化剂、镍片为阳极、蒙乃尔筛网为阴极，无需任何隔膜，结构简单，能在250 ℃下获得较高的氨产率(见下图)。反应原理是阴极上Fe2O3和H2O得到电子被还原为Fe和OH－，OH－迁移向阳极放电，阴极生成的Fe与H2O、N2反应生成氨。 ②固氮酶仿生合成氨。 豆科植物的根瘤菌能在常温常压下实现生物固氮，其固氮能力远超哈伯-博施工艺。受此启发，科研团队成功研发H2/N2生物燃料电池，该电池以固氮酶为正极催化剂、氢化酶为负极催化剂、有机酸为电解液、质子交换膜为隔膜，实现了室温下氨的合成。电池工作时，MV2＋/MV＋(MV为N，N′-二甲基-4,4′-联吡啶)在电极和催化剂之间传递电子，构成闭合回路。其工作原理如图所示。 [类题迁移] 1．[双选]合成氨对解决粮食问题贡献巨大，反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。该反应的能量变化及微观历程的示意图如图所示(*表示物质吸附在催化剂表面的形态)。下列说法错误的是(　 ) A．在催化剂表面只存在N≡N的断裂，不存在N≡N的形成 B．图2中②→③的过程吸收能量 C．③→④的过程可表示为N*＋3H*―→NH D．其他条件相同，使用催化剂可以减少合成氨反应放出的热量 解析：选AD　在催化剂表面存在N≡N、H—H的断裂，故A错误；图2中②→③是断键的过程，断键吸收能量，故B正确；根据图示③→④是吸