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简答题

固氮有三种方式:生物固氮、工业合成氨和放电条件下氮气与氧气化合.全世界工业合成氮肥中的氮只占固氮总量的20%,其余绝大多数是通过生物固氮进行的,最常见的是豆科植物根部的根瘤菌,能将大气中游离态的氮经固氮酶的作用生成氮的化合物,以利于植物利用.

(1)根瘤菌与豆科植物的关系在生物学上称为______

(2)根瘤菌之所以有固氮作用,是因为它有独特的固氮酶,而最根本原因是它含有独特的______

(3)日本科学家把固氮基因转移到水稻根际微生物中,通过指导合成固氮所需的______进而引起固氮作用.更为理想的是直接将固氮基因转移到稻、麦等粮食及经济作物的细胞中,让植物本身直接固氮,这样可以免施氮肥.如果这种愿望实现的话说,那么固氮基因中遗传信息表达途径为______

(4)这种生物固氮与工业合成氨比较,它是在______条件下进行的,从而节省了大量的器材、设备和能源;

(5)俗话说“雷雨发庄稼”,因为电闪雷鸣的雨天,氮气在空气中发生一系列的反应,产生了植物可利用的含氮化合物,写出有关的三个反应方程式__________________

正确答案

解:(1)在豆科植物的根瘤中,有能够固氮的根瘤菌与豆科植物共生,根瘤菌有固氮作用,能将空气中的氮转化为植物能吸收的含氮物质,而植物则为根瘤菌提供有机物.二者互惠互利,共同生活.可见根瘤菌对豆科植物的生长是有利的.像这样,细菌和真菌与动物或植物共同生活在一起,相互依赖,彼此有利,一旦分开,二者都要受到很大的影响,甚至不能生活而死亡,这种现象叫共生,故答案为:共生;

(2)固固氮的最根本原因是固氮酶中含有固氮基因,故答案为:固氮基因;

(3)因固氮酶将大气中游离态的氮生成氮的化合物,故答案为:固氮酶;

因固氮基因遗传信息表达途径为固氮基因→信使RNA→固氮酶,故答案为:固氮基因→信使RNA→固氮酶;

(4)因生物固氮在常温、常压下进行,故答案为:常温、常压;

(5)雷雨中发生的一系列化学变化过程;N2+O2=2NO、2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO,故答案为:N2+O2=2NO;2NO+O2=2NO2;3NO2+H2O=2HNO3+NO.

解析

解:(1)在豆科植物的根瘤中,有能够固氮的根瘤菌与豆科植物共生,根瘤菌有固氮作用,能将空气中的氮转化为植物能吸收的含氮物质,而植物则为根瘤菌提供有机物.二者互惠互利,共同生活.可见根瘤菌对豆科植物的生长是有利的.像这样,细菌和真菌与动物或植物共同生活在一起,相互依赖,彼此有利,一旦分开,二者都要受到很大的影响,甚至不能生活而死亡,这种现象叫共生,故答案为:共生;

(2)固固氮的最根本原因是固氮酶中含有固氮基因,故答案为:固氮基因;

(3)因固氮酶将大气中游离态的氮生成氮的化合物,故答案为:固氮酶;

因固氮基因遗传信息表达途径为固氮基因→信使RNA→固氮酶,故答案为:固氮基因→信使RNA→固氮酶;

(4)因生物固氮在常温、常压下进行,故答案为:常温、常压;

(5)雷雨中发生的一系列化学变化过程;N2+O2=2NO、2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO,故答案为:N2+O2=2NO;2NO+O2=2NO2;3NO2+H2O=2HNO3+NO.

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一种“人工固氮”的新方法是在光照条件下,N2在催化剂表面与水蒸气发生反应生成NH3和氧气. 已知:

(1)请根据以上信息,写出“人工固氮”新方法的热化学方程式:______

(2)进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(反应时间3h):

①50℃时从开始到3h内以O2物质的量浓度变化表示的平均反应速率为______

②与目前广泛应用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢.请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议(请写出两条)____________

(3)氨是氮肥工业的重要原料.某化肥厂生产铵态氮肥(NH42SO4的工业流程如下:

①往沉淀池中装入CaSO4悬浊液后,需先通入足量NH3,再通入CO2的原因是______

②煅烧炉中产生的固态副产品为______,生产流程中能被循环利用的物质X为______

正确答案

解:根据题目信息,N2在催化剂表面与水蒸气发生反应生成NH3和氧气,写热化学方程式的物质变化部分为:N2+3H2O2NH3+O2,旧键断裂吸收的能量为:945kJ+6×463kJ=3723kJ,新键生成释放的能量为:6×391KJ+×498KJ=3093KJ所以△H=3723kJ•mol-1-3093kJ•mol-1=+630kJ•mol-1,故答案为:N2(g)+3H2O(g)2NH3(g)+O2(g);△H=+630kJ•mol-1

(2)①50℃时从开始到3h内,根据化学反应速率公式v(NH3)===2.0×10-6(mol/(l•h)),氨气的反应速率和氧气的反应速率之比等于系数之比,即为4:3,故v(O2)=1.5×l0-6 mol/(L•h)(或2.5×l0-8 mol/(L•min),故答案为:1.5×l0-6 mol/(L•h)(或2.5×l0-8 mol/(L•min);

②加快化学反应速率的外界因素有升高温度、加大浓度、加大压强、使用催化剂等,对于该反应可以升高温度、增大压强,及时补充反应物等,故答案为:升高温度;增大压强;

(3)①先通入足量NH3,再通入CO2的原因是:氨在水中溶解度大,使溶液呈碱性,有利于吸收CO2,增大c(CO32-),促使CaSO4转化为CaCO3,同时生成(NH42SO4,故答案为:氨在水中溶解度大,使溶液呈碱性,有利于吸收CO2,增大c(CO32-),促使CaSO4转化为CaCO3,同时生成(NH42SO4

②碳酸钙高温分解生成氧化钙和二氧化碳,固态副产品为CaO(或生石灰),CO2(或二氧化碳)能被循环利用,故答案为:CaO(或生石灰);CO2(或二氧化碳).

解析

解:根据题目信息,N2在催化剂表面与水蒸气发生反应生成NH3和氧气,写热化学方程式的物质变化部分为:N2+3H2O2NH3+O2,旧键断裂吸收的能量为:945kJ+6×463kJ=3723kJ,新键生成释放的能量为:6×391KJ+×498KJ=3093KJ所以△H=3723kJ•mol-1-3093kJ•mol-1=+630kJ•mol-1,故答案为:N2(g)+3H2O(g)2NH3(g)+O2(g);△H=+630kJ•mol-1

(2)①50℃时从开始到3h内,根据化学反应速率公式v(NH3)===2.0×10-6(mol/(l•h)),氨气的反应速率和氧气的反应速率之比等于系数之比,即为4:3,故v(O2)=1.5×l0-6 mol/(L•h)(或2.5×l0-8 mol/(L•min),故答案为:1.5×l0-6 mol/(L•h)(或2.5×l0-8 mol/(L•min);

②加快化学反应速率的外界因素有升高温度、加大浓度、加大压强、使用催化剂等,对于该反应可以升高温度、增大压强,及时补充反应物等,故答案为:升高温度;增大压强;

(3)①先通入足量NH3,再通入CO2的原因是:氨在水中溶解度大,使溶液呈碱性,有利于吸收CO2,增大c(CO32-),促使CaSO4转化为CaCO3,同时生成(NH42SO4,故答案为:氨在水中溶解度大,使溶液呈碱性,有利于吸收CO2,增大c(CO32-),促使CaSO4转化为CaCO3,同时生成(NH42SO4

②碳酸钙高温分解生成氧化钙和二氧化碳,固态副产品为CaO(或生石灰),CO2(或二氧化碳)能被循环利用,故答案为:CaO(或生石灰);CO2(或二氧化碳).

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科学家一直致力于“人工固氮”的方法研究.

(1)目前合成氨的技术原理为:(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);△H=-92.4kJ/molN2

该反应的能量变化如图1所示.

①在反应体系中加入催化剂,反应速率增大,E2的变化是:______.(填“增大”、“减小”或“不变”).

②将一定量的N2(g)和H2(g)放入1L的密闭容器中,在500℃、2×107Pa下达到平衡,测得N2为0.1mol,H2为0.3mol,NH3为0.1mol.该条件下H2的转化率为______

③欲提高②容器中H2的转化率,下列措施可行的是______

A.向容器中按原比例再充入原料气

B.向容器中再充入惰性气体

C.改变反应的催化剂

D.液化生成物分离出氨

(2)1998年希腊亚里士多德大学的两位科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传导H+),从而实现了高转化率的电解法合成氨.其实验装置如图2所示.阴极的电极反应式为______

(3)根据最新“人工固氮”的研究报道,在常温、常 压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3和TiO2)表面与水发生下列反应:2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g);△H=a kJ/mol

进一步研究NH3生成量与温度关系,常压下达到平衡时测得部分实验数据如下:

①此合成反应的a______0.(填“大于”、“小于”或“等于”)

N2(g)+3H2(g)2NH3(g);△H=-92.4kJ/mol

②已知

O2(g)+2H2(g)2H2O(l);△H=-571.6kJ/mol则2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g);△H=______kJ/mol

(4)NH4Cl溶液呈酸性,这是由于N水解的缘故.则NH4Cl在重水(D2O)中水解的离子方程式是______

正确答案

解:(1)①催化剂可以降低反应的活化能,增大反应速率,而E1即为活化能,E2=E1+△H,所以E2会减小,

故答案为:减小;

②根据化学方程式:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

初始浓度;       0.6     0.45      0

变化浓度:0.5      0.15     0.1

平衡浓度:0.1        0.3      0.1

×100%≈33.3%,故答案为:33.3%;

③根据化学平衡:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),

A.向容器中按原比例再充入原料气,则压强增大,平衡向右移动,氢气的转化率增大,故A正确;

B.向容器中再充入惰性气体,则各组分浓度不变,平衡不移动,氢气的转化率不变,故B错误;

C.改变反应的催化剂,不影响平衡的移动,氢气的转化率不变,故C错误;

D.液化生成物分离出氨,平衡向右移动,氢气的转化率增大,故D正确;

故选AD.

(2)电解池的阴极发生得电子的还原反应,在合成氨中,氮气得电子,所以阴极反应为:N2+6H++6e-=2NH3

故答案为:N2+6H++6e-=2NH3

(3)①温度对化学平衡移动方向的影响是:温度越高,氨气的量越大,所以升高温度,平衡向右进行,反应是吸热反应,故答案为:大于;

②已知:a、N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);△H=-92.4kJ/mol;

b、O2(g)+2H2(g)═2H2O(l);△H=-571.6kJ/mol,

则反应2N2(g)+6H2O(l)═4NH3(g)+3O2(g)等于2a-3b;

所以△H=2×(-92.4kJ/mol)-3×(-571.6kJ/mol)=+1530.0kJ/mol,

故答案为:1530.0;

(4)NH4Cl在重水(D2O)中水解的实质是铵根和中水中的OD-反应的结果,离子方程式是NH4++D2O⇌NH3•HDO+D+,故答案为:NH4++D2O⇌NH3•HDO+D+

解析

解:(1)①催化剂可以降低反应的活化能,增大反应速率,而E1即为活化能,E2=E1+△H,所以E2会减小,

故答案为:减小;

②根据化学方程式:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

初始浓度;       0.6     0.45      0

变化浓度:0.5      0.15     0.1

平衡浓度:0.1        0.3      0.1

×100%≈33.3%,故答案为:33.3%;

③根据化学平衡:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),

A.向容器中按原比例再充入原料气,则压强增大,平衡向右移动,氢气的转化率增大,故A正确;

B.向容器中再充入惰性气体,则各组分浓度不变,平衡不移动,氢气的转化率不变,故B错误;

C.改变反应的催化剂,不影响平衡的移动,氢气的转化率不变,故C错误;

D.液化生成物分离出氨,平衡向右移动,氢气的转化率增大,故D正确;

故选AD.

(2)电解池的阴极发生得电子的还原反应,在合成氨中,氮气得电子,所以阴极反应为:N2+6H++6e-=2NH3

故答案为:N2+6H++6e-=2NH3

(3)①温度对化学平衡移动方向的影响是:温度越高,氨气的量越大,所以升高温度,平衡向右进行,反应是吸热反应,故答案为:大于;

②已知:a、N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);△H=-92.4kJ/mol;

b、O2(g)+2H2(g)═2H2O(l);△H=-571.6kJ/mol,

则反应2N2(g)+6H2O(l)═4NH3(g)+3O2(g)等于2a-3b;

所以△H=2×(-92.4kJ/mol)-3×(-571.6kJ/mol)=+1530.0kJ/mol,

故答案为:1530.0;

(4)NH4Cl在重水(D2O)中水解的实质是铵根和中水中的OD-反应的结果,离子方程式是NH4++D2O⇌NH3•HDO+D+,故答案为:NH4++D2O⇌NH3•HDO+D+

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农作物生长发育需要大量的氮养分,除了可用人工固氮方法(合成氮)获得氨态氯外,自然界雷电现象也是一种固氮途经,经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式),其相关的化学方程式为__________________

正确答案

解:在放电条件下,氮气和氧气发生化合反应,故答案为:N2+O2 2NO;NO不稳定,易被氧气氧化为二氧化氮,故答案为:2NO+O2═2NO2

二氧化氮溶于水生成硝酸,故答案为:3NO2+H2O═2HNO3+NO.

解析

解:在放电条件下,氮气和氧气发生化合反应,故答案为:N2+O2 2NO;NO不稳定,易被氧气氧化为二氧化氮,故答案为:2NO+O2═2NO2

二氧化氮溶于水生成硝酸,故答案为:3NO2+H2O═2HNO3+NO.

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