- 合成氨工业的发展——催化剂的改进
- 共152题
（1）人类也可主动地参与氮循环，合成氨工业就是参与的手段之一，以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，它具有污染小、成本低等诸多优点． 其过程大体如下：
①请写出用天然气制备氢气的化学方程式：______
②写出合成尿素[CO（NH2）2]反应的化学方程式：______
③写出O2与NH3反应生成NH4NO3和H2O的化学方程式：______
④每生产1mol NH4NO3最少需要NH3______mol，而要生产这些NH3又最少需要CH4______mol．
（2）科学家已获得了极具理论研究意义的N4分子，其结构为正四面体（如图2）．已知断裂1molN-N键吸收193kJ热量，断裂1molN≡N键吸收941kJ热量，则1molN4气体转化为N2时要释放______kJ能量．
正确答案
解析
解：（1）①CH4转化过程中生成了CO2和H2，方程式为：CH4+2H2O
②二氧化碳和氨气反应生成尿素，根据原子守恒：CO2+2NH3
③O2与NH3反应生成NH4NO3，根据原子守恒反应的化学方程式为2NH3+2O2
④NH4NO3～2NH3，每生产1mol NH4NO3最少需要2molNH3；根据反应CH4+2H2O
故答案为：2；0.75；
（2）从结构图中可看出，一个N4分子中含有6个N-N键，根据反应热等于反应物的总键能减生成物的总键能，则N4（g）=2N2（g）△，有△=6×193 kJ•mol-1-2×941 kJ•mol-1=-724 kJ•mol-1，故答案为：724．
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
解析
解：（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 
（2）解：设消耗的氮气的量是x，则N2 +3H2 
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
（3）根据已知反应可得：①2NO（g）+3H2O（g）⇌2NH3（g）+
②2NH3（g）+
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．
工业合成氨是利用氮气和氢气在一定条件下反应生成的．氨是重要的工业原料．请回答下列问题：
（1）氮元素在周期表中的位置是______；氮原子结构示意图为______；
（2）写出氨分子的电子式______；指出分子中化学键是______（填‘离子键’或‘共价键’）．
（3）写成合成氨的化学方程式：______；该反应是放热反应，则相同条件下“1molN2和3molH2”的能量与“2molNH3”的能量较高的是______．
正确答案
解析
解：（1）氮元素是7号元素，原子结构示意图为
故答案为：第2周期ⅤA族；
（2）氨分子的分子式为NH3，氮与氢原子之间通过共价键结合，电子式为
（3）氮气与氢气在高温高压催化剂条件下合成氨，方程式为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2
写出工业合成氨和工业制备硝酸的有关反应的化学方程式：______、______．
正确答案
N2+3H2
4NH3+5O2
解析
解：在高温高压催化剂的条件下，氮气和氢气反应生成氨气，化学方程式为：N2+3H2
氨气与氧气反应生成NO，NO氧化生成二氧化氮，最后与水反应生成硝酸，发生的反应为：4NH3+5O2
故答案为：N2+3H2
合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0）
一种工业合成氨的简易流程图如下：
完成下列填空：
（1）天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS．一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生．NH4HS的电子式是______，写出再生反应的化学方程式：______．NH3的沸点高于
H2S，是因为NH3分子之间存在着一种比______力更强的作用力．
（2）室温下，0.1mol/L的氯化铵溶液和0.1mol/L的硫酸氢铵溶液，酸性更强的是______，其原因是______．已知：H2SO4：Ki2=1.2×10-2NH3•H2O：Ki=1.8×10-5．
（3）图2表示500℃、60.0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系．根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：______（答案用小数表示，保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图3坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图．
（5）上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是（填序号）______．简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：______．
正确答案
解析
解：（1）NH4HS的电子式是
；NH3分子间存在氢键，所以NH3的沸点高于H2S，
故答案为：
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度Ki2=1.2×10-2，非常的大，而氯化铵是水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性强同浓度的氯化铵，
故答案为：硫酸氢铵；硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度Ki2=1.2×10-2，非常的大，大于铵根离子水解产生的酸性；
（3）依据反应特征N2+3H2=2NH3 △V
1 3 2 2
平衡体积 V V
即反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为100，氨气为体积42，则反应前气体体积100+42=142，氮气和氢气按照1：3混合，氮气体积=142×
故答案为：14.5%；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，画出的图象为：
（5）分析流程合成氨放热通过Ⅳ热交换器加热反应混合气体，使反应达到所需温度，提高合成氨原料总转化率，依据平衡移动原理分析，分离出氨气促进平衡正向进行，把平衡混合气体中氮气和氢气重新循环使用，提高原理利用率；
故答案为：Ⅳ；分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．
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