Question

【題目】我國科學家結合實驗與計算機模擬結果，研究了在鐵摻雜W18O49納米反應器催化劑表面上實現(xiàn)常溫低電位合成氨，獲得較高的氨產(chǎn)量和法拉第效率。反應歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面的物種用*標注。

（1）需要吸收能量最大的能壘（活化能）E=__ev，該步驟的化學方程式為___；

（2）對于合成氨反應N2+3H22NH3，在標況下，平衡常數(shù)Kθ=，其中pθ為標準壓強（1×105Pa），p(NH3)、p(N2)和p(H2)為各組分的平衡分壓[已知p(NH3)=x(NH3)p，其中p為平衡總壓，x(NH3)為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分數(shù)]。

①若起始N2和H2物質(zhì)的量之比為1：3，反應在恒定溫度和標準壓強下進行，達到平衡時H2的轉化率為ɑ，則Kθ=___（用含ɑ的最簡式表示）。

②圖中可以示意標準平衡常數(shù)Kθ隨溫度T變化趨勢的是___(填序號).

（3）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。

該電池工作時，正極的電極反應為___。中間所用的交換膜應該為___（填“陽離子交換膜”或“陰離子交換膜”或“質(zhì)子交換膜”）。相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法的優(yōu)點是：___。（任寫一條）

Answer 1

【答案】1.54 NH3*+NH3=2NH3 A MV2++e-＝MV+ 質(zhì)子交換膜 條件溫和、生成氨的同時釋放電能

【解析】

(1)吸收能量最大的能壘，即相對能量的差最大；根據(jù)圖示寫方程式；

(2)①若1mol N2和3mol H2完全反應，則理論上生成2molNH3，NH3的平衡產(chǎn)率為ɑ，則生成的NH3為2ɑmol，通過三段式計算有，平衡時混合氣體的物質(zhì)的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此時p(NH3)=pθ，p(N2)= pθ，p(H2)= pθ，根據(jù)Kθ=計算；

②升高溫度，平衡逆向移動，Kθ減��；

(3)生物燃料電池的工作原理是N2+3H22NH3，其中N2在正極區(qū)得電子發(fā)生還原反應，H2在負極區(qū)失電子發(fā)生氧化反應，原電池工作時陽離子向正極區(qū)移動，據(jù)此分析判斷。

(1)根據(jù)圖示，吸收能量最大的能壘，即相對能量的差最大是-1.02-(-2.56)=1.54；根據(jù)圖示，該步的方程式是NH3*+NH3=2NH3，故答案為：1.54；NH3*+NH3=2NH3；

(2) ①若1mol N2和3mol H2完全反應，則理論上生成2molNH3，NH3的平衡產(chǎn)率為ɑ，則生成的NH3為2ɑmol，通過三段式計算有，平衡時混合氣體的物質(zhì)的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此時p(NH3)=pθ，p(N2)= pθ，p(H2)= pθ，根據(jù)Kθ===，故答案為：；

②升高溫度，平衡逆向移動，Kθ減小，ln Kθ減小，因此變化趨勢的圖為A，故答案為：A；

(3)正極區(qū)發(fā)生還原反應，電極上的反應為：MV2++e-＝MV+；右室氮氣得電子，為正極區(qū)，氮氣在固氮酶催化作用下發(fā)生反應N2＋6MV＋＋6H+＝2NH3＋6MV2＋，陽離子由負極移向正極，所以電池工作時，氫離子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動，交換膜應該為質(zhì)子交換膜；傳統(tǒng)工業(yè)合成氨反應條件為高溫、高壓、催化劑，反應條件苛刻，該方法制取氨氣條件溫和、生成氨的同時釋放電能，故答案為：MV2++e-＝MV+；質(zhì)子交換膜；條件溫和、生成氨的同時釋放電能。