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简答题

工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产,流程如下:

完成下列问题:

Ⅰ.合成氨

(1)写出装置①中发生反应的化学方程式:______.

(2)已知在一定的温度下进入装置①的氮、氢混合气体与从合成塔出来的混合气体压强之比为5:4,则氮的转化率为______.

Ⅱ.氨的接触氧化原理

(3)在900℃装置②中反应有:

4NH3(g)+5O2(g)⇌4NO(g)+6H2O(g);△H=-905.5kJ•mol-1 K1=1×1053 (900℃)

4NH3(g)+4O2(g)⇌4N2O(g)+6H2O(g);△H=-1103kJ•mol-1  K2=1×1061 (900℃)

4NH3(g)+3O2(g)⇌2N2(g)+6H2O(g);△H=-1267kJ•mol-1  K3=1×1067 (900℃)

除了上列反应外,氨和一氧化氮相互作用:

4NH3(g)+6NO(g)⇌5N2(g)+6H2O(g);△H=-1804kJ•mol-1,还可能发生氨、一氧化氮的分解.

完成热化学方程式:2NO(g)⇌N2(g)+O2(g);△H=______.

(4)铂-铑合金催化剂的催化机理为离解和结合两过程,如图所示:

由于铂对NO和水分子的吸附力较小,有利于氮与氧原子结合,使得NO和水分子在铂表面脱附,进入气相中.若没有使用铂-铑合金催化剂,氨氧化结果将主要生成______.说明催化剂对反应有______.

(5)温度对一氧化氮产率的影响

当温度大于900℃时,NO的产率下降的原因______(选填序号)

A.促进了一氧化氮的分解

B.促进了氨的分解

C.使氨和一氧化氮的反应平衡移动,生成更多N2

(6)硝酸工业的尾气常用Na2CO3溶液处理,尾气的NO、NO2可全部被吸收,写出用Na2CO3溶液吸收的反应方程式______.

正确答案

(1)氮气的氢气在催化剂、加热加压的条件下生成氨气的反应为:N2+3H2 2NH3,故答案为:N2+3H2 2NH3

(2)设消耗的氮气的量是x,则N2 +3H2   2NH3

        初始物质的量            1        3              0

       变化的物质的量           x        3x             2x

     平衡时的物质的量          1-x      3-3x            2x

氮、氢混合气体与从合成塔出来的混合气体压强之比为5:4,即氮、氢混合气体的物质的量之和与从合成塔出来的混合气体的物质的量之和的比为5:4,所以=,解得x=0.4mol,所以氮气的转化率为:×100%=40%,故答案为:40%;

(3)根据已知反应可得:①2NO(g)+3H2O(g)⇌2NH3(g)+O2(g);△H=×905.5kJ•mol-1=452.75kJ•mol-1

②2NH3(g)+O2(g)⇌N2(g)+3H2O(g);△H=-1267×kJ•mol-1=-633.5kJ•mol-1

反应2NO(g)⇌N2(g)+O2(g)可以看成是①+②的结果,所以△H=-633.5kJ•mol-1+452.75kJ•mol-1=-180.75 kJ•mol-1,故答案为:-180.75 kJ•mol-1

(4)若没有使用铂-铑合金催化剂,氢气会和氧气反应,使得氮气和氢气不能反应,说明催化剂具有选择性,故答案为:氮气和水蒸气;选择性;

(5)由图象可知在温度较低时生成氮气.温度高于900℃时,NO产率下降是因为反应4NH3+5O2⇌4NO+6H2O是放热反应,达到平衡后,升温平衡逆向进行,故产率降低,

故答案为:A、B;

(6)尾气的NO、NO2可全部被碳酸钠吸收,其化学方程式为:NO+NO2+Na2CO3═2NaNO2+CO2、2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2

故答案为:NO+NO2+Na2CO3═2NaNO2+CO2 、2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2

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如图1所示是工业生产硝酸的流程:

合成塔中内置铁触媒,氧化炉中内置Pt-Rh合金网.请回答下列问题:

(1)1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨.2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程,示意如图2所示.

分别表示N2、H2、NH3.图⑤表示生成的NH3离开催化剂表面,图②和图③的含义分别是______.

(2)合成氨反应的化学方程式为N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),写出该反应的化学平衡常数表达式K=______.在一定温度和压强下,将H2 和N2 按3:1(体积之比)混合后进入合成塔,反应达到平衡时,平衡混合气中NH3 的体积分数为15%,此时H2 的转化率为______.

(3)已知:4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g)△H=-1 266.8kJ/mol

N2(g)+O2(g)=2NO(g)△H=+1 80.5kJ/mol,氨催化氧化的热化学方程式为______.

(4)吸收塔中通入空气的目的是______.

正确答案

(1)、分析题中图可以知道,图②表示N2、H2被吸附在催化剂表面,而图③表示在催化剂表面,N2、H2中化学键断裂,故答案为:图②表示N2、H2被吸附在催化剂表面,图③表示在催化剂表面,N2、H2中化学键断裂;

(2)、化学平衡常数是:在特定物理条件下(如温度、压力、溶剂性质、离子强度等),可逆化学反应达到平衡状态时生成物与反应物的浓度比或反应物与反应产物的浓度比.根据以上概念可以写出该反应的化学平衡常数表达式 K=,有反应方程式:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),设参加反应的氢气的物质的量xmol,原混合气体中 H2 和N2 按3:1(体积之比)混合,物质的量之比也是3:1,设氢气3nmol,氮气nmol,则参加反应的氮气的物质的量为x/3mol,生成的氨气为2x/3mol,列式:=15%,解得x≈0.78nmol,H2 的转化率为:0.78nmol÷3nmol×100%=26%,

故答案为:K=; 26%;

(3)、已知:4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g)△H=-1 266.8kJ/mol  ①

N2(g)+O2(g)=2NO(g)△H=+1 80.5kJ/mol                           ②

①+②×2得:4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)△H=-905.8kJ/mol

故答案为:4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)△H=-905.8kJ/mol;

(4)、不断通入空气,提供充足的氧气,以便使NO循环利用,全部转化成硝酸.

故答案为:使NO循环利用,全部转化成硝酸.

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工业生产硝酸铵的流程图如图:

请回答下列问题:

(1)写出硝酸铵在工农业生产中的重要作用______(任写一条)

(2)已知N2(g)+3H2(g)═2NH3(g),△H=-92kJ•mol-1.请回答:

①在500℃、200atm和铁催化条件下向一密闭容器中充入1molN2和3molH2,充分反应后,放出的热量______(填“<”“>”“=”)92.4kJ,理由是______.

②为有效提高氢气的转化率,实际生产中宜采取的措施有______

A.降低温度       B.最适合催化剂活性的适当高温          C.增大压强

D.降低压强       E.循环利用和不断补充氮气              F.及时移出氨

(3)已知铂铑合金网未预热也会发热.写出氨催化氧化的化学方程式:______,该反应的化学平衡常数表达式K=______,当温度升高时,K值______(增大、减小、无影响),其原因是______.

(4)在一定温度和压强的密闭容器中,将平均式量为8.5的H2和N2混合,当该反应达到平衡时,测出平衡混合气的平均式量为10,此时N2的转化率为______.

正确答案

(1)因铵盐的主要用途是用作氮肥,故答案为:可做氮肥等;

    (2)①因为可逆反应不可能完全进行到底,放出的热量比完全反应少,

故答案为:<,在1atm和298K条件下,1mol氮气和3mol氢气完全反应生成2mol氨气,放出92.4kJ热量,该反应为可逆反应,不可能进行完全,又因为反应温度为500℃,所以放出的热量小于92.4kJ;  

        ②因增大反应物的浓度,减少生成物的浓度,增大压强,降低温度工业合成氨反应向正反应方向移动,氢气的转化率提高,但在实际生产中不能用低温,因为温度低化学反应速率慢,故答案为:CEF;

    (3)因为NH3具有还原性,能被氧气氧化:4NH3+5O24NO+6H2O,

        该反应的平衡常数K=       

        因工业合成氨反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,化学平衡常数减小,

        故答案为:4NH3+5O24NO+6H2O,,减小,因为氨的催化氧化反应是放热反应,所以升高温度,K会减小;

      (4)十字交叉法:平均相对分子质量为8.5的H2和N2物质的量比=(28-8.5):(8.5-2)=3:1

           平衡三部曲:N2 +3H2 =2NH3

                        起   1     3        0

                        反   x     3x       2x

                        末   1-x   3-3x     2x            

          平衡混合气的平均相对分子质量为10,对应的相对分子质量:=10

                          x=0.3

         则H2转化率为×100%=30%

         故答案为:30%

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工业生产硝酸铵的流程图如下:

请回答下列问题:

(1)写出硝酸铵在工农业生产中的重要作用______(任写一条)

(2)已知N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);△H=-92.4kJ•mol-1.请回答:

①在500℃、200atm和铁催化条件下向一密闭容器中充入1molN2和3molH2,充分反应后,放出的热量______(填“<”“>”“=”)92.4kJ,该反应的化学平衡常数表达式K=______.

②为有效提高氢气的转化率,宜采取的措施有______

A.降低温度       B.最适合催化剂活性的适当高温        C.增大压强

D.降低压强       E.循环利用和不断补充氮气            F.及时移出氨

(3)一定温度下在体积固定的密闭容器中,将1mol N2和3mol H2混合,当该反应达到平衡时,测得平衡混合气的压强是反应前的0.85倍,此时N2的转化率为______.

正确答案

(1)因铵盐的主要用途是用作氮肥,故答案为:可做氮肥等;

    (2)①因为可逆反应不可能完全进行到底,放出的热量比完全反应少,在1atm和298K条件下,1mol氮气和3mol氢气完全反应生成2mol氨气,放出92.4kJ热量,该反应为可逆反应,不可能进行完全,又因为反应温度为500℃,所以放出的热量小于92.4kJ; N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);该反应的平衡常数K=

故答案为:<;

②A.反应是放热反应,降低温度 平衡正向进行,氢气的转化率提高,但在实际生产中不能用低温,因为温度低化学反应速率慢,故A不符合;

B.最适合催化剂活性的适当高温,温度越高氢气转化率碱性,故B不符合;        

C.反应是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向进行,氢气转化率增大,故C符合;

D.降低压强,平衡逆向进行,故D不符合;       

E.循环利用和不断补充氮气,提高氢气转化率,故E符合;            

F.及时移出氨,平衡正向进行,氢气转化率增大,故F符合;

故答案为:CEF;

 (3)依据化学平衡的三段式列式计算得到:设氮气转化物质的量为x

                N2 +3H2=2NH3 起始量(mol)  1   3     0

 转化量(mol)  x   3x    2x 

 平衡量(mol) 1-x  3-3x  2x             

平衡混合气的压强是反应前的0.85倍,物质的量是反应前的0.85倍

(1-x)+(3-3x )+2x=0.85×4

得到x=0.3mol;

氢气的转化率=×100%=30%            

故答案为:30%;

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硝酸是一种重要的化工原料,工业上一般以氨气为原料来制备硝酸.请回答:

(1)氨气催化氧化的化学方程式为______.

(2)硝酸厂的尾气直接排放将污染空气,目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水,反应机理为:

CH4(g)+4NO2(g)═4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574kJ•mol-1

CH4(g)+4NO(g)═2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160kJ•mol-1

则甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为:______.

(3)氨气若在纯氧中燃烧,则发生反应为4NH3+3O22N2+6H2O,科学家利用此原理,设计成氨气-氧气燃料电池,则通入氨气的电极是______(填“正极”或“负极”);碱性条件下,该电极发生反应的电极反应式为______.

(4)制得的硝酸可以跟金属铜反应生成硝酸铜溶液,用石墨电极电解该硝酸铜溶液,则电解过程中阳极的电极反应式为______.

正确答案

(1)NH3与O2在催化剂、加热条件下发生反应生成NO和H2O:4NH3+5O24NO+6H2O,故答案为:4NH3+5O24NO+6H2O;

(2)①CH4(g)+4NO2(g)→4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574kJ•mol-1

    ②CH4(g)+4NO(g)→2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160kJ•mol-1

根据盖斯定律(①+②)×,得:CH4(g)+2NO2(g)=CO2(g)+N2(g)△H=-867kJ/mol,故答案为:CH4(g)+2NO2(g)=CO2(g)+N2(g)△H=-867kJ/mol;

(3)燃料电池中,燃料做负极,则通入氨气的电极是负极,碱性条件下,总反应:4NH3+3O22N2+6H2O,正极的电极反应:3O2↑+6H2O+12e-=12OH-,负极的电极反应式为:

4NH3+12OH--12e=2N2+12H2O,故答案为:负极;4NH3+12OH--12e=2N2+12H2O;

(4)Cu(NO32溶液中铜离子的放电能力大于氢离子的放电能力,所以铜离子先放电;氢氧根离子的放电能力大于硝酸根离子的放电能力,所以氢氧根离子先放电.阳极上失电子,发生氧化反应,所以氢氧根离子在阳极上失电子生成氧气:4OH--4e-=O2+2H2O;阴极上得电子,反应还原反应,所以铜离子的阴极上得电子生成铜:Cu2++2e-=Cu,

故答案为:4OH--4e-=O2+2H2O.

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