- 合成氨工业的发展——环境保护
- 共152题
氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一．课本里介绍的合成氨技术叫哈伯法，是德国人哈伯在1905年发明的，其合成原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0他因此获得了1918年诺贝尔化学奖．工业上合成氨的部分工艺流程如图1：
反应体系中各组分的部分性质见下表：
（1）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程．即反应后通过把混合气体的温度降低到______使混合气体分离出来产品；继续循环的气体是______．写出该反应的化学平衡常数表达式：K=______．
（2）运用化学反应速率和化学平衡的观点说明工业上采取用上述实际生产措施的理由：______．
（3）已知拆开1molH-H键，1molN-H键，1molN≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为______．
（4）合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义．对于密闭容器中的反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），673K，30MPa下n（NH3）和n（H2）随时间变化的关系如图2所示．下列叙述正确的是______
A．点a的正反应速率比点b的大
B．点 c处反应达到平衡
C．点d（t1时刻） 和点 e （t2时刻） 处n（N2）不一样
D．其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n（H2）比图2中d点的值大
（5）1998年希腊亚里斯多德大学的Marmellos和Stoukides采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+），实现了高温常压下高转化率的电化学合成氨．其实验装置如图3．阴极的电极反应式______．
正确答案
解析
解：（1）氨气的沸点是-33.42，可以将温度降低到-33.42，氨气液化，转变成液体分离出来，氢气和氮气可以再循环利用，平衡常数表达式为：
（2）生成物的浓度减少，平衡正向移动，所以及时分离出氨气，平衡正向移动，提高氨气的产率；循环利用氮气和氢气，提高氮气和氢气的转化率，
故答案为：及时分离出氨气，平衡正向移动，提高氨气的产率，且循环利用氮气和氢气，提高氮气和氢气的转化率；
（3）拆开1mol H-H键，1mol N-H键，1mol N≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，化学方程式为N2+3H2⇌2NH3，依据化学方程式计算反应热为946kJ/mol+3×436kJ/mol-6×391kJ/mol=-92KJ/mol，反应的热化学方程式为N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92 kJ•mol-1，
故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92 kJ•mol-1；
（4）A、随着反应的进行，反应物的浓度之间减小，反应速率逐渐减小，则a点的正反应速率比b点大，故A正确；
B、c点反应物和生成物物质的量仍在变化，没有达到平衡状态，故B错误；
C、d点和e点都处于平衡状态，n（N2）不变，d点和e点n（N2）相等，故C错误；
D、该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，所以平衡时氢气的物质的量比d点的值大，故D正确；
故答案为：AD；
（5）阴极发生还原反应，氮气在阴极上放电，与氢离子结合生成氨气，电极反应式为N2+6e-+6H+=2NH3，故答案为：N2+6e-+6H+=2NH3
随着世界粮食需求量的增加，农业对化学肥料的需求越来越大．氮肥是需求最大的一种化肥．氮肥的生产和合理施用在农业生产中起着重大作用．合成氨及化肥生产流程示意图如下：
（1）目前，工业上用铁触媒作催化剂，在20～50MPa、450℃左右用氮、氢混合气体在______中进行合成氨．则沿X方向回去的物质是______．
（2）在侯氏制碱法中，从沉淀池中得到的母液要通人氨气、降温并加入______（填化学式），目的是______．
（3）沉淀池中的化学方程式是______．
（4）工业上将氨催化氧化可制硝酸．在硝酸生产中，催化剂铂网在氨的催化氧化反应中起的作用是______．硝酸工业尾气对环境污染严重，若在催化剂存在下用甲烷将其中的一氧化氮还原为对空气无污染的物质，其反应的化学方程式为______．
正确答案
合成塔
H2、N2
NaCl
使氯化铵逐步从母液中结晶析出
NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓
加快反应速率同时决定了氧化产物是一氧化氮
CH4+4NO
解析
解：（1）氮气和氢气的反应在合成塔中进行，因为合成氨反应为可逆反应，反应后化合物中含有一定量的氮气和氢气，分离后再作为原料进行循环利用．
故答案为：合成塔； H2、N2；
（2）加入氯化钠，利用同离子效应，降低氯化铵的溶解度，使氯化铵结晶析出．
故答案为：NaCl；使氯化铵逐步从母液中结晶析出；
（3）根据流程图和题目所给信息，可知反应物有NH3、CO2、H2O、NaCl，产物为NH4Cl 和 NaHCO3，进而可写出化学方程式NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓．故答案为：NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓；
（4）催化剂的作用为加快化学反应速率，同时生成NO；根据化合价的变化，甲烷将其中的一氧化氮还原为对空气无污染的物质，生成N2、CO2、H2O，配平可得化学方程式CH4+4NO
某企业生产氨气的流程如下：（已知送入合成塔的氮气和氢气的体积比为1：4）
请回答下列问题：
（1）操作①的名称是______，操作④发生的是______变化（选填物理或化学）．
（2）写出②的化学方程式______．
（3）检验合成塔中出来的气体中含有氨气的方法是______．
（4）下列变化过程属于氮的固定的是______
A．由氮气合成氨 B．由氨制氯化铵
C．雷雨天气由氮气得硝酸盐 D．碳酸氢铵受热分解
（5）试写出合成塔中发生反应的化学方程式______．
（6）若达平衡后从合成塔出来的高温高压气体中仅含体积分数为25%的氨气，则氮气的转化率为______，从混合气中分离出氨气的措施是______，分离出的氮气和氢气则重新回到合成塔中．
正确答案
解析
解：（1）煤的干馏是指煤在隔绝空气的条件下加热，生成煤焦油、焦炭、焦炉煤气等物质，所以操作①的名称是干馏；液态空气中不同的物质沸点不同分离出氮气，所以操作④的名称为蒸馏，属于物理变化，故答案为：煤的干馏；蒸馏；
（2）碳与水蒸气高温生成水煤气，其反应方程式为C+H2O
（3）氨气为碱性气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色，故答案为：用润湿的红色石蕊试纸靠近气体，若试纸变蓝，则说明含有氨气；
（4）将游离态的氮转化为化合态的氮的过程，叫做氮的固定，
A．由氮气合成氨，氮元素由游离态转化为化合态，属于氮的固定，故A正确；
B．由氨制氯化铵，不属于氮的固定，故B错误；
C．雷雨天气由氮气得硝酸盐，氮元素由游离态转化为化合态，属于氮的固定，故C正确；
D．碳酸氢铵受热分解，不属于氮的固定，故D错误；
故答案为：AC．
（5）在合成塔中，氮气和氢气可以合成氨气，即N2+3H2 
（6）设投料时N2的体积为a，H2的为4a，转化的N2为x，
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始（mol）a 4a 0
转化（mol）x 3x 2x
平衡（mol）a-x 4a-3x 2x
体积分数为25%的氨气，则
则转化率为
故答案为：50%；降温．
工业合成氨的主要反应为：N2（g）+3H2（g）
①上述流程示意图中的催化剂是______．
②热交换器的作用是______（选填编号）．
a．提高N2的转化率 b．充分利用能源，降低成本 c．提高产物的产率
③沿X路线进入压缩机的物质是未反应的N2和H2，循环的目的是______．
④写出一种以氨为原料生产的氮肥______．
正确答案
解析
解：①工业合成氨的催化剂是铁触媒或铁，故答案为：铁触媒或铁；
②热交换器的作用是充分利用反应的热量，利用能源，降低成本，故答案为：b；
③未反应的N2和H2，可以循环使用，这样循环可以提高原料气的利用率，故答案为：提高原料气的利用率；
④合成尿素或硝酸铵或碳酸氢铵必须以氨气为原料，故答案为：尿素或硝酸铵或碳酸氢铵．
以合成氨为核心的氨化学工业，推动了农业、军事等各方面技术的革新，是20世纪化学带给人类的最重要的贡献之一，其中以氨气为原料制备硝酸的过程如下：
（1）工业合成氨气利用的反应是______；
（2）工业上用氨气制取NO的化学方程式：______
某小组计划在中学实验室模拟上述反应过程的某些环节，请你协助他们解决以下问题：
（3）实验室用氯化铵和______反应，制取少量的氨气，该过程的化学应方程式为：______．
正确答案
解析
（1）利用N2和H2合成氨气的反应方程式为N2+3H2
（2）工业上用氨气的催化氧化制取NO，反应方程式为：4NH3+5O2
（3）实验室利用消石灰和氯化铵混合加热制氨气的反应方程式为Ca（OH）2+2NH4Cl
故答案为：氢氧化钙（或消石灰）；Ca（OH）2+2NH4Cl
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