設計意圖：透過宏觀現(xiàn)象剖析微觀機理，在不斷探究問題中引導學生通過數(shù)學推理、微觀探析等方式進行證實或證偽，使課堂充滿探索的體驗和思考的快樂。讓學生感受到合成氨反應看似簡單，但其反應機理實則復雜且精彩；唯有透過現(xiàn)象看本質(zhì)，才能抓住化學反應的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，方能利用化學反應、改造化學反應，使之為生產(chǎn)生活服務。活動項目(二)合成氨的今天——立足當下，觸摸前沿的方向(一)從宏觀到微觀，研究反應機理“向空氣要氮肥”路漫漫且荊棘遍布，以哈伯和博施為首的科學家一路披荊斬棘、上下求索，其遠見卓識使人動容。史海漫溯，能站在巨人的肩膀上看世界何其榮幸。目光回到21世紀，讓我們立足當下，觸摸前沿方向。1．德國化學家埃特爾因?qū)I(yè)合成氨的機理進行實證研究而獲得2007年諾貝爾化學獎。他證實N2和H2在鐵觸媒表面合成氨的反應過程一般需經(jīng)歷擴散、吸附、表面反應、脫附、擴散等步驟，其各步反應的能量變化如圖所示。描述反應歷程，書寫各步基元反應的化學方程式，并指出其中的決速步驟。2．工業(yè)生產(chǎn)中，原料氣中N2和H2的比例為1∶2.8而非1∶3，試分析N2稍過量的原因。提示：由微觀機理圖可知：催化反應需要經(jīng)歷多個步驟，反應更多發(fā)生在催化劑表面相鄰的吸附態(tài)氮和吸附態(tài)氫之間。H2的吸附能力強于N2，為了保持N2在催化劑表面有足夠的吸附比率，應適當增大其分壓。3．為什么NH3的生成速率與NH3的分壓成反比？嘗試從多角度進行分析。提示：由速率方程v＝k·c(N2)·c

1.5(H2)·c－1(NH3)可知：降低NH3的分壓對提高反應速率更有利。適時分離出氨，降低NH3的分壓，能提高氨的脫附速率，同時“騰出”催化劑活性中心，供進一步合成氨使用，提升催化效率。(二)從傳統(tǒng)到前沿，探索室溫合成[資料1]

N≡N的鍵能為942kJ·mol－1，斷裂該化學鍵所需的能量極高。[資料2]哈伯-博施工藝反應條件苛刻，需要在高溫(350～550℃)、高壓(200～300atm)且鐵基催化劑存在時進行。[資料3]據(jù)統(tǒng)計，合成氨工藝中全球年均消耗能源3.5億噸，占能源供應總量的1%以上；排放

CO2超過4億噸，占排放總量的約1.6%。1．結(jié)合資料推斷，工業(yè)合成氨為什么條件苛刻、能耗巨大？提示：N≡N的鍵能很大，活化N2分子十分困難，高溫高壓是為了跨越反應的能壘。化石能源是制備N2和H2的原料，提供反應條件和反應原料均需消耗較多能源。

2．為了降低反應活化能，預測當今科學家會朝著哪個方向努力？提示：尋找理想的催化劑降低合成氨反應的活化能，或者將電能、光能引入固氮過程，活化N2分子，改變反應歷程。3．為了實現(xiàn)氨的室溫高效合成，當今科學家尤其是我國科學家取得了哪些突破？以小組為單位匯報文獻調(diào)研成果，并嘗試根據(jù)文獻內(nèi)容提出有價值的問題。(開放性問題，合理即可)提示：①電催化合成氨。我國在以H2O和N2為原料常壓、中溫電化學合成氨上取得了突破性進展。該方法以熔融NaOH和KOH為電解質(zhì)、懸浮的納米Fe2O3為催化劑、鎳片為陽極、蒙乃爾篩網(wǎng)為陰極，無需任何隔膜，結(jié)構(gòu)簡單，能在250℃下獲得較高的氨產(chǎn)率(見下圖)。反應原理是陰極上Fe2O3和H2O得到電子被還原為Fe和OH－，OH－遷移向陽極放電，陰極生成的Fe與H2O、N2反應生成氨。②固氮酶仿生合成氨。豆科植物的根瘤菌能在常溫常壓下實現(xiàn)生物固氮，其固氮能力遠超哈伯-博施工藝。受此啟發(fā)，科研團隊成功研發(fā)H2/N2生物燃料電池，該電池以固氮酶為正極催化劑、氫化酶為負極催化劑、有機酸為電解液、質(zhì)子交換膜為隔膜，實現(xiàn)了室溫下氨的合成。電池工作時，MV2＋/MV＋(MV為N，N′-二甲基-4,4′-聯(lián)吡啶)在電極和催化劑之間傳遞電子，構(gòu)成閉合回路。其工作原理如圖所示。答案：C

解析：在催化劑表面存在N≡N、H—H的斷裂，故A錯誤；圖2中②→③是斷鍵的過程，斷鍵吸收能量，故B錯誤；根據(jù)圖1，催化劑不能改變反應物和生成物的能量，使用催化劑不能減少合成氨反應放出的熱量，故D錯誤。2．(2023·阜新市聯(lián)考)電解法合成氨因其原料轉(zhuǎn)化率大幅度提高，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)合成氨工藝。利用工業(yè)廢水發(fā)電進行氨的制備(納米Fe2O3作催化劑)的原理如圖所示，其中M、N、a、b電極均為惰性電極。下列說法錯誤的是(

)已知：b極區(qū)發(fā)生的變化視為按兩步進行，其中第二步為Fe＋H2O＋N2―→NH3＋Fe2O3(未配平)。A．M極是負極，發(fā)生的電極反應為C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2↑＋24H＋B．Fe2O3在b極發(fā)生電極反應：Fe2O3＋3H2O＋6e－===2Fe＋6OH－C．理論上廢水發(fā)電產(chǎn)生的N2與合成NH3消耗的N2的物質(zhì)的量之比為3∶5D．上述廢水發(fā)電在高溫下進行優(yōu)于在常溫下進行答案：D

由分析可知，b電極為陰極，F(xiàn)e2O3在陰極上得到電子發(fā)生還原反應生成Fe，根據(jù)得失電子守恒和電荷守恒配平