《2025年赢在微点化学》

催化剂的重要作用
合成氨工业中，在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，约为$335\ kJ\cdot mol^{-1}$。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应的活化能为$126～167\ kJ\cdot mol^{-1}$，第二阶段的反应的活化能为$13\ kJ\cdot mol^{-1}$。催化剂的催化过程一般是催化剂跟其中的一种反应物首先发生反应，生成过渡物，然后再跟另外的反应物反应，生成产物，同时催化剂重新生成。催化剂生成的过渡物比没有催化剂生成的过渡物的能量要低，因而使反应更加容易发生和进行。这就是改变了其反应历程。

[问题探究]
(1)依据合成氨的能量变化图，能否判断出合成氨的反应是放热反应还是吸热反应？
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(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂，能加快化学反应速率的原因是什么？
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(3)工业合成氨时，升高温度，正反应速率增大，逆反应速率降低吗？
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(4)热催化合成氨面临的两难问题：采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致$NH_{3}$产率降低。我国科研人员研制了$Ti - H - Fe$双温区催化剂（$Ti - H$区域和$Fe$区域的温度差可超过$100\ ^{\circ}C$）。$Ti - H - Fe$双温区催化合成氨的反应历程如图所示（其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注）。

ⅰ. 图中历程①氮气分子中氮氮三键断裂了吗？该历程发生了怎样的变化？
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ⅱ. 判断反应历程①～⑤哪些在高温区进行？哪些在低温区进行？
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答案： 提示
(1)由于反应物的总能量高于生成物的总能量，故工业合成氨的反应是放热反应。
(2)使用铁触媒作催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，提高了活化分子的百分数，有效碰撞次数增加，反应速率加快。
(3)不论是放热反应还是吸热反应，升高温度，正、逆反应速率一定增大。
(4)ⅰ.历程①是氮气分子吸附在催化剂表面的过程，N₂分子中的氮氮三键没有断裂。
ⅱ.历程①②③是吸附断键的过程，需要提高化学反应速率，故在高温区进行；历程④⑤是氮原子的传递和合成氨的过程，需要提高合成氨的产率，使合成氨(放热反应)平衡正移，故在低温区进行。

1. 全程速率—时间图像
如Zn与足量盐酸的反应，反应速率随时间的变化出现如图情况。

原因解释：AB段v渐大，主要是因为该反应为__________反应，随着反应的进行，__________逐渐升高，导致反应速率__________；BC段v渐小，则主要是因为随着反应的进行，溶液中__________逐渐减小，导致反应速率__________。

答案： 放热 温度 逐渐增大 $c(H^{+})$ 逐渐减小

2. 物质的量(或浓度)—时间图像
例如：某温度时，在定容(VL)容器中，X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。

(1)由图像得出如下信息。
①反应物是__________，生成物是__________。
②__________时反应达到平衡，X、Y没有全部反应。
(2)根据图像可进行如下计算。
①达到平衡时，某物质的平均反应速率、转化率，如v(X)=________________，Y的转化率=__________。
②确定化学方程式中的化学计量数之比，如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为__________。

答案：
(1)①X、Y Z ②$t_{3}$
(2)①$\frac{n_{1}-n_{3}}{V\cdot t_{3}}mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}$ $\frac{n_{2}-n_{3}}{n_{2}}\times100\%$ ②$(n_{1}-n_{3}):(n_{2}-n_{3}):n_{2}$