Question

1898年，曾有人发明了固氮的一种方法，该法以石灰石、焦炭、空气为原料。第一步反应是石灰石分解；第二步是使第一步反应产物和焦炭反应，在电炉中的高温下制得第三步反应起始物；第三步反应中另一反应物是空气，该反应也是在电炉中完成的，生成一种固体；第四步是使该固体和水蒸气反应制得氨气。又知该固体中有与N₃^-互为等电子体的离子。（1）试写出四步反应的化学方程式；
（2）试简评该固氮方法。

Answer 1

（1）CaCO₃CaO+CO₂↑； CaO+3CCaC₂+CO↑；CaC₂+N₂CaCN₂+C ；   CaCN₂+3H₂O(g)=CaCO₃+2NH₃↑。
（2）这种方法，需要消耗大量电能，原料众多，设备重，生产成本高。

前二步反应分别是石灰石的分解和制造电石的反应：
CaCO₃CaO+CO₂↑；          CaO+3CCaC₂+CO↑
第三步反应是CaC₂在高温下与空气中的氮气反应，以取得固氮的效果。由于生成物与N₃^-互为等电子体的离子，氮元素在此生成物中应为-3价，后者与水反应才更有可能生成NH₃。N₃^-的等电子体有CN₂^2-、C₂N^3-。如果N为-3价，在CN₂^2-中C为+4价，在C₂N^3-中C为0价，不合理，因此生成物中的该离子只能为CN₂^2-。其化学方程式为：
CaC₂+N₂CaCN₂+C ；   CaCN₂+3H₂O=CaCO₃+2NH₃↑。
这种方法较之现在的合成氨工业，需要消耗大量电能，原料众多，生产成本高，因此，很快被合成氨的催化法代替。