Question

【題目】我國科學(xué)家結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，研究了在鐵摻雜W18O49納米反應(yīng)器催化劑表面上實(shí)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(yīng)歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面的物種用*標(biāo)注。

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

（2）對(duì)于合成氨反應(yīng)N2+3H22NH3，在標(biāo)況下，平衡常數(shù)Kθ=，其中pθ為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)（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?jǐn)?shù)]。

①若起始N2和H2物質(zhì)的量之比為1：3，反應(yīng)在恒定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下進(jìn)行，達(dá)到平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率為ɑ，則Kθ=___（用含ɑ的最簡(jiǎn)式表示）。

②圖中可以示意標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ隨溫度T變化趨勢(shì)的是___(填序號(hào)).

（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(shí)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(shí)，正極的電極反應(yīng)為___。中間所用的交換膜應(yīng)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(diǎn)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(shí)釋放電能

【解析】

(1)吸收能量最大的能壘，即相對(duì)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(yīng)，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(jì)算有，平衡時(shí)混合氣體的物質(zhì)的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此時(shí)p(NH3)=pθ，p(N2)= pθ，p(H2)= pθ，根據(jù)Kθ=計(jì)算；

②升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，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(yīng)，H2在負(fù)極區(qū)失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，原電池工作時(shí)陽離子向正極區(qū)移動(dòng)，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(duì)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(yīng)，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(jì)算有，平衡時(shí)混合氣體的物質(zhì)的量=1-ɑ +3-3ɑ+2ɑ=4-2ɑmol，此時(shí)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(dòng)，Kθ減小，ln Kθ減小，因此變化趨勢(shì)的圖為A，故答案為：A；

(3)正極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)，電極上的反應(yīng)為：MV2++e-＝MV+；右室氮?dú)獾秒娮�，為正極區(qū)，氮?dú)庠诠痰�酶催化作用下發(fā)生反應(yīng)N2＋6MV＋＋6H+＝2NH3＋6MV2＋，陽離子由負(fù)極移向正極，所以電池工作時(shí)，氫離子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)，交換膜應(yīng)該為質(zhì)子交換膜；傳統(tǒng)工業(yè)合成氨反應(yīng)條件為高溫、高壓、催化劑，反應(yīng)條件苛刻，該方法制取氨氣條件溫和、生成氨的同時(shí)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(shí)釋放電能。