- 合成氨工业的发展——环境保护
- 共152题
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：
（1）工业生产时，制取氢气的一个反应为：CO+H2O（g）⇌CO2+H2
①t℃时，往1L密闭容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸气．反应建立平衡后，体系中c（H2）=0.12mol•L-1．该温度下此反应的平衡常数K=______ （填计算结果）．
②保持温度不变，向上述平衡体系中再加入0.1molCO，当反应重新建立平衡时，水蒸气的转化率α（H2O）=______．
（2）合成塔中发生反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0．下表为不同温度下该反应的平衡常数．由此可推知，表中
T1______573K（填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）废水中的N、P元素是造成水体富营养化的关键因素，农药厂排放的废水中常含有较多的NH4+和PO43-，一般可以通过两种方法将其除去．
①方法一：将Ca（OH）2或CaO 投加到待处理的废水中，生成磷酸钙，从而进行回收．当处理后的废水中c（Ca2+）=2×10-7 mol/L时，溶液中c（PO43-）=______mol/L．
（已知Ksp[Ca3（PO4）2]=2×10-33）
②方法二：在废水中加入镁矿工业废水，就可以生成高品位的磷矿石-鸟粪石，反应的方程式为Mg2++NH4++PO43-=MgNH4PO4↓．该方法中需要控制污水的pH为7.5～10，若pH高于10.7，鸟粪石的产量会大大降低．其原因可能为______．与方法一相比，方法二的优点为______．
正确答案
解析
解：（1）①根据题意：CO+H2O（g）⇌CO2 +H2
初始浓度：0.2 0.3 0 0
变化浓度：0.12 0.12 0.12 0.12
平衡时的浓度：0.08 0.18 0.12 0.12 则K=
故答案为：1；
②保持温度不变，向上述平衡体系中再加入0.1molCO，相当于充入0.3molCO和0.3mol水蒸气，设H2O的转化了xmol
CO+H2O（g）⇌CO2 +H2
起始：0.3 0.3 0 0
转化：x x x x
平衡0.3-x 0.3-x x x 则K=
故答案为：50%；
（2）对于放热反应，温度越高，则化学平衡逆向移动，合成塔中发生反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0，正反应为放热反应，化学平衡逆向移动，导致平衡常数减小，所以T1＜573K，
故答案为：＜
（3）对于放热反应，温度升高，则化学平衡向逆向移动，反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0，正反应为放热反应，所以氨气的产率减小，
故答案为：温度高于900℃时，平衡向左移动；
（4）①废水中c（Ca2+）=2×10-7 mol/L时，根据Ksp[Ca3（PO4）2]=c3（Ca2+）×c2（PO43-）=8.0×10-21×c2（PO43-）=2.0×10-33，解得c（PO43-）=5.0×10-7mol•L-1，
故答案为：5×10-7；
②若pH高于10.7，鸟粪石的产量会大大降低，可能是溶液中的Mg2+、NH4+会与OH-反应，平衡向逆反应方向移动，方法二能同时除去废水中的氮，充分利用了镁矿工业废水，
故答案为：当pH高于10.7时，溶液中的Mg2+、NH4+会与OH-反应，平衡向逆反应方向移动；能同时除去废水中的氮，充分利用了镁矿工业废水；
如图是工业生产硝酸铵的流程示意图．
（1）吸收塔C中通入过量空气的目的是______．A、B、C、D四个容器中的反应，属于氧化还原反应的是______（填字母）．
（2）已知：4NH3（g）+3O2（g）═2N2（g）+6H2O（g），△H=-1266.8kJ/mol；
N2（g）+O2（g）═2NO（g），△H=+180.5kJ/mol
据此写出氨高温催化氧化的热化学方程式：______．
若上述催化氧化过程转移了5mol电子，则反应的能量变化为______kJ．
（3）在化工研究中，经常要判断反应能否自发进行，若某反应的△H＜0，则该反应是否一定能自发进行？______（填“一定”或“不一定”）
（4）已知：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），△H=-92kJ/mol．为提高氢气的转化率，宜采取的措施有______（填字母）．
A．适当升高温度
B．使用更有效的催化剂
C．增大压强
D．循环利用和不断补充氮气
E．及时分离出氨气
（5）在一定温度和压强下，将H2和N2按3：1的体积比在密闭容器中混合，当反应达到平衡时，测得平衡混合气中NH3的体积分数为20.0%，此时H2的转化率为______（计算结果保留一位小数）．
正确答案
解析
解：（1）吸收塔中涉及的反应有：2NO+O2═2NO2；3NO2+H2O═2HNO3+NO；4NO2+O2+H2O═4HNO3；为使NO充分氧化而生成硝酸，应通入过量空气；题中涉及的化学反应有：①N2+3H2⇌2NH3②4NH3+5O2
（2）已知：①4NH3（g）+3O2（g）═2N2（g）+6H2O（g），△H=-1266.8kJ/mol
②N2（g）+O2（g）═2NO（g），△H=+180.5kJ/mol，
利用盖斯定律①-2×②可得：4NH3（g）+5O2（g）
4NH3（g）+5O2（g）
905.8KJ 20mol
Q 5mol
Q=
故答案为：4NH3（g）+5O2（g）
（3）反应能否自发进行取决于反应中的焓变和熵变以及反应温度的关系，即△H-T•△S＜0（其中△H为反应热，T为温度，△S为熵变），所以某反应的△H＜0，该反应不一定能自发进行，故答案为：不一定；
（4）为提高氢气的转化率，应是反应向正反应方向移动，本题中可采取的措施有：增大压强、循环利用和不断补充氮气、及时分离出氨气；故答案为：C D E；
（5）设反应起始时H2和N2的物质的量分别为3mol和1mol，平衡时转化了xmolN2，
N2 +3H2 ⇌2NH3
起始 1mol 3mol 0
转化 x 3x 2x
平衡 1-x 3-3x 2x
根据题意知：
工业合成氨技术是对人类的巨大贡献之一．下面是合成氨的简要流程示意图：
（1）设备 I的名称是______，沿X路线循环的物质是______（填字母）．
A．N2和H2 B．催化剂 C．NH3D．N2、H2和NH3
（2）合成氨中H2可以由焦炭和水蒸汽反应获得．请写出该反应的化学方程式：______．
（3）原料气中往往含有H2S、CO、CO2等杂质，必须除去这些杂质的目的是______，常用K2CO3溶液除去CO2，其反应的离子方程式为______．
（4）近年有人将电磁场直接加在氮气和氢气反应的容器内，在较低的温度和压强条件下合成氨，获得了较高的产率．电磁场对合成氨反应本质的影响是______，该方法的优点是______．
（4）合成氨工业往往含有大量含氨废水，为了防止对环境造成污染，可以利用电解法将NH3•H2O转化为对环境无污染的加以处理．电解时以石墨做电极，以硝酸作为电解质，则理论上处理1mol NH3•H2O，电路中转移电子______mol，阳极的电极反应式为______．
正确答案
解析
解：（1）根据合成流程可知，设备Ⅰ为合成塔，设备Ⅱ为氨分离器，合成氨的反应为可逆反应，则设备Ⅱ中含有未反应的N2和H2，需要转入合成塔中循环利用，所以A正确，
故答案为：合成塔；A；
（2）合成氨中H2可以由焦炭和水蒸汽反应获得，反应的化学方程式为：C+H2O
故答案为：C+H2O
（3）原料气中的H2S、CO、CO2等杂质容易造成催化剂中毒，降低催化效果，所以必须将原料气中往往含有的H2S、CO、CO2等杂质除去，防止催化剂中毒；碳酸钾溶液与二氧化碳反应生成碳酸氢钾，反应的离子方程式为：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-，
故答案为：防止催化剂中毒；CO32-+CO2+H2O=2HCO3-；
（4）在较低的温度和压强条件下合成氨，获得了较高的产率，而一般合成氨需要较高温度和压强，所以通过能量守恒可知，电磁场可以断裂化学键，降低能耗，
故答案为：在电磁场的作用下，氮氮三键更容易断裂，减少了合成氨反应所需的能量；降低能耗，使反应更容易进行（其他合理答案也可）；
（5）利用电解法将NH3•H2O转化为对环境无污染的物质为氮气，阳极失去电子发生氧化反应，电极反应式为：2NH3-6e-=N2+6H+，则1molNH3•H2O完全反应转移了3mol电子，
故答案为：3； 2NH3-6e-=N2+6H+．
硝酸铵不仅是一种重要的氮肥，而且还可制成炸药，应用于军事和采矿等方面．工业上制取硝酸铵的流程图如图，请同答下列问题：
（1）此生产过程中，H2的来源是水煤气，该反应的方程式为______，合成氨的原料气在使用前需要净化，目的是______．
（2）在合成氨的过程中，采取压强为10-30MPa是为了______；在合成硝酸的吸收塔中通入足量空气的目的是______．
（3）在上述工业制硝酸的生产中，B设备中发生反应的化学方程式为______．
（4）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下两种方法处理：
碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O
还原法：8NH3+6NO2
以上两种方法中，符合绿色化学的是______．
（5）某化肥厂用NH3制备NH4NO3．已知：由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%，则制HNO3，所用去的NH3的质量占总耗NH3质量（不考虑其它损耗）的______%．
（6）硝酸铵是一种常用的氮肥，在贮存和使用该化肥时，应注意的事项及理由是：
正确答案
解析
解：（1）根据工业生产中，氢气来自水煤气，反应原理是：C+H2O
（2）合成氨反应的化学方程式为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.2kJ/mol，反应物气体的化学计量数大于生成物气体的化学计量数，则加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率，升高温度虽然不利于平衡向正反应方向移动，但能增大反应速率，缩短达到平衡的时间．
合成硝酸的吸收塔中通入空气的目的是利用一氧化氮和氧气按照4：3全部反应生成硝酸；4NO+3O2+2H2O=4HNO3，可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
故答案为：加压使化学反应速率加快，有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率；可使NO循环利用，全部转化成HNO3；
（3）装置B是氨催化氧化反应：氨气在催化剂作用下被氧气氧化为一氧化氮的反应，反应的化学方程式为：4NH3+5O2
故答案为：4NH3+5O2
（4）碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O，NH3还原法：8NH3+6NO2 
（5）由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%，根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%×92%=0.8832mol，由HNO3+NH3═NH4NO3，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8832mol，氨气的质量之比等于物质的量之比，则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为
（6）由于硝酸铵受撞击时易爆炸，因此硝酸铵不能与易燃物混放；不能用铁锤等物将结块的硝酸铵砸碎；不能受到严重撞击，NH4NO3
①不能与碱性肥料混施；硝酸铵溶液呈碱性；
②不能剧烈撞击；硝酸铵易爆炸；
③不能在雨水较多的地区使用；硝酸铵吸水性强，易流失；
故答案为：①不能与碱性肥料混施；硝酸铵溶液呈碱性；
②不能剧烈撞击；硝酸铵易爆炸；
③不能在雨水较多的地区使用；硝酸铵吸水性强，易流失（任选两条）．
氨是一种重要的化工原料，在工农业生产中有很多重要应用
I．工业合成氨的流程示意图如图1：回答下列问题：
（1）设备A中含有电加热器、触媒和热交换器，设备A的名称______，其中发生的化学反应方程式为______；原料氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学反应方程式：______，______；
（2）设备B的名称______，其中m和n是两个通水口，入水口是______（填“m”或“n”）．不宜从相反方向通水的原因______；
（3）设备C的作用是______；
II．制碱工业主要有“氨碱法”和“联合制碱法”两种工艺，氨碱法的工艺如图2所示：
（4）图中的中间产物C是______，D______．（写化学式）；
（5）碳酸化塔中发生反应的化学方程式为______；
（6）联合制碱法对氨碱法进行了改进，更加符合绿色化学的重要原则，提高了反应的原子利用率．根据“联合制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：原子利用率（%）=______．
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气在合成塔内发生化合反应生成氨气方程式为：N2+3H2 
故答案为：合成塔；N2+3H2
（2）混合气体进入冷却塔冷凝，冷凝水从下口进入上口排除，逆向冷凝效果更好，
故答案为：冷凝器；n；高温气体从冷凝塔上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷凝效果更好；
（3）C是分离塔，在分离塔内将液氨和未反应的原理气体分离，
故答案为：在分离塔内将液氨和未反应的原理气体分离；
（4）碳酸钙分解生成生石灰，生石灰与水反应生成氢氧化钙，氯化铵和氢氧化钙反应生成氯化钙和氨气和水，
故答案为：Ca（OH）2；NH3；
（5）二氧化碳、氨气、氯化钠溶液在碳酸化塔中发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵方程式为：NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl，
故答案为：NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl；
（6）根据方程式：NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl得：原子利用率=
故答案为：
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