备考2025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

素养：热力学、动力学视角——工业合成氨命题特点：工业合成氨的催化转化，实际应用。合成条件优化→速率和平衡角度→催化剂活性→实际生产设备要求→变更条件对实际产率影响大小。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相宜的生产条件。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，选择合成氨的相宜条件，培育综合应用多视角解决实际问题的实力。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＝＋1530kJ·mol－1。该反应可分两步完成：反应ⅠN2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）ΔH2＝－92.4kJ·mol－1反应Ⅱ2H2O（l）⇌2H2（g）＋O2（g）ΔH3（1）ΔH3＝＋571.6kJ·mol－1。（2）将1.00molN2和3.00molH2充入3L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更的曲线如图甲所示，0～10min内，v（H2）＝0.075mol·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冲突。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（限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）科学家为避开干脆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、常压下接受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＝＋571.6kJ·mol－1。（2）①由图甲可知，从反应起先到达到平衡，X、Y的浓度变更量分别为0.50mol·L－1和0.75mol·L－1，变更量之比为2∶3，所以X为NH3、Y为H2，则0～10min内v（H2）＝0.75mol·L－1÷10min＝0.075mol·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更量分别为3xmol和2xmol，平衡体系中共有（4－2x）mol气体，所以2x4－2x×100％＝70％，解得x≈82％。（3）依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2.[2024新课标卷改编]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产实力位居世界首位。合成氨反应12N2（g）＋32H2（g）NH3（g）的能量转换关系如图1（1）探讨表明，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）。推断上述反应机理中，速率限制步骤（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，使其断裂须要（ⅰ）N2（g）＋*⇌（ⅱ）N2*＋*⇌（ⅲ）H2（g）＋*⇌（ⅳ）H2*＋*⇌（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：x①图中压强由小到大的依次为p1＜p2＜p3，推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＝20MPa、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＝3解析（1）依据图1能量转换关系可知，键能：键＞H—H键，断裂键须要吸取的能量最多，结合图2反应机理知，步骤（ⅱ）为该反应的速率限制步骤。（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依次为p1＜p2＜p3。②Ar不参加化学反应，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＝20MPa、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0.25mol和0.75mol，达平衡时N2的转化量为xmol，列“三段式”12N2（g）＋32H2（g）⇌NH3（起始量/mol0.250.750变更量/molx3x2x平衡量/m