Question

【題目】以天然氣為原料合成氨是現(xiàn)代合成氨工業(yè)發(fā)展的方向與趨勢

（一）天然氣與氮氣為原料，以固態(tài)質子交換膜為電解質，在低溫常壓下通過電解原理制備氨氣如圖所示：

寫出在陰極表面發(fā)生的電極反應式：_____________。

（二）天然氣為原料合成氨技術簡易流程如下：

一段轉化主要發(fā)生的反應如下:

①CH4（g） +H2O（g） CO（g）+3H2（g） ΔH1 = 206 kJ·molˉ1

②CO（g） + H2O（g） CO2（g） + H2（g） ΔH2 = -41 kJ·molˉ1

二段轉化主要發(fā)生的反應如下:

③2CH4（g）+ O2（g） 2CO（g）+4H2（g） ΔH3 = -71.2 kJ·molˉ1

④2CO（g） + O2（g） 2CO2（g） ΔH4 = -282 kJ·molˉ1

（1）已知CO中不含C=O，H－H的鍵能為436 kJ·molˉ1，H－O的鍵能為463 kJ·molˉ1，C－H的鍵能為414 kJ·molˉ1，試計算C=O的鍵能_________。

（2）實驗室模擬一段轉化過程，在800oC下，向體積為1L的恒容密閉反應器中，充入1mol的CH4與1mol的H2O，達到平衡時CH4的轉化率為40%，n（H2）為1.4mol，請計算反應②的平衡常數(shù)_________。

（3）下列說法正確的是_________。

A．合成氨過程實際選擇的溫度約為700℃，溫度過高或過低都會降低氨氣平衡產率

B．上述工業(yè)流程中壓縮既能提高反應速率又能提高合成氨的產率

C．二段轉化釋放的熱量可為一段轉化提供熱源，實現(xiàn)能量充分利用

D．二段轉化過程中，需嚴格控制空氣的進氣量，否則會破壞合成氣中的氫氮比

（4）已知催化合成氨中催化劑的活性與催化劑的負載量、催化劑的比表面積和催化反應溫度等因素有關，如圖所示：

①實驗表明相同溫度下，負載量5%催化劑活性最好，分析負載量9%與負載量1%時，催化劑活性均下降的可能原因是________。

②在上圖中用虛線作出負載量為3%的催化劑活性變化曲線_______。

Answer 1

【答案】N2+6H++6e- = 2NH3 799.5kJ·molˉ1 3.5 BCD 負載量1%時，則負載量過低導致催化活性降低，負載量9%負載量雖高但催化劑的比表面積會降低而使催化活性降低

【解析】

(一)與外電源負極相連的為電解池陰極，發(fā)生還原反應，裝置中N2轉化為NH3，所以陰極表面發(fā)生的電極反應：N2+6H++6e-=2NH3，故答案：N2+6H++6e- = 2NH3；

(二)(1)根據(jù)蓋斯定律可知將反應①+②得到：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH =165kJ/mol，ΔH=4E(C-H)+4E(O-H)-2E(C=O)-4E(H-H)=4×414kJ/mol+4×463kJ/mol-2×E(C=O)-4×436kJ/mol=165kJ/mol，可得E(C=O)=799.5kJ/mol，故答案為：799.5kJ/mol；

(2)發(fā)生的反應為① CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH1 = 206 kJ·molˉ1

解得x=0.2mol/L。反應②的平衡常數(shù)K==3.5，故答案：3.5；

(3)A．合成氨的反應為放熱過程，溫度升高降低平衡轉化率，故A錯誤；

B．壓縮相當于加壓，反應向氣體分子數(shù)減少方向移動，加壓有利于反應正向進行，所以上述工業(yè)流程中壓縮既能提高反應速率又能提高合成氨的產率，故B正確；

C．一段過程主要為吸熱過程，二段主要過程為放熱過程，因此可以通過傳熱裝置轉化釋放的熱量，可為一段反應轉化提供熱源，實現(xiàn)能量充分利用，故C正確；

D．二段過程中主要是有O2參加反應，可通過空氣來提供反應所需要的O2，但需嚴格控制空氣的進氣量，否則會發(fā)生其余副反應，破壞合成氣中的氫氮比，故D正確；

故答案為：B、C、D；

(4)①負載量較低時，提供催化活性中心的活性位點不足，可能導致催化劑活性不夠，負載量過高，催化劑的比表面積會降低，導致催化劑活性中心位點過于擁擠，可能導致空間坍塌影響催化活性，故答案為：負載量1%時,則負載量過低導致催化活性降低,負載量9%負載量雖高但催化劑的比表面積會降低而使催化活性降低；

②負載量為3%小于負載量5%，并且已知負載量1%時活性低于5%負載量，負載量為9%時高于負載量為1%的催化劑活性，但1%的負載量與9%的負載量所體現(xiàn)的催化活性及其接近，可推知低負載量對于催化劑活性的影響較之于高負載量對于催化劑活性的影響更大，則3%負載量的催化劑活性應介于5%與9%之間的負載量之間的活性，所以作圖為：，故答案：。