- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
已知X、Y、Z、W（含同一元素）有如下转化关系：
且X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，则X可能是（ ）
正确答案
解析
解：X、Y、Z、W（含同一元素），其中X能经过两步氧得Z，Z再与水反应可以生成对应的酸或碱，则X可以含有C、N、S、Na等元素，X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，符合此条件的X只能为NH3，NH3能与氧气生成NO，NO再与氧气反应生成NO2，NO2与水反应生成HNO3，HNO3与NH3反应生成NH4NO3，NH4NO3是一种易溶于水的盐，根据上面的分析可知，应选C，
故选C．
下列有关空气各成分的说法正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A．氧气不易溶于水，所以实验室可以用排水法收集，故A正确；
B．空气中氮气占总体积的78%，氧气占21%，故B错误；
C．空气是混合物，含有氮气、氧气等气体，但它是一种宝贵的资源，故C错误；
D．稀有气体可以做各种电光源、保护气等，因此可以充制霓虹灯、强照明灯等，故D正确；
故选D．
工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2（g）+3H2（g）
反应体系中各组分的部分性质见下表
回答下列问题：
（1）写出该反应的化学平衡常数表达式：K=___________。随着温度升高，K值___________（填增大、减小、不变）。
（2）平衡常数K值越大，表明___________（填序号）。
A．N2的转化率越高
B．NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高
D．化学反应速率越快
（3）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___________分离出来；继续循环的气体是___________。
正确答案
（1）
（2）AB
（3）-33.42℃；氨；N2、H2
（1）合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义．工业合成
氨的原理是：N2+3H2
①X的化学式为______；
②图中条件选定的主要原因是（选填字母序号）______；
A．升高温度、增大压强均有利于氨的合成
B．铁触媒在该温度时活性大
C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
③改变反应条件，会使平衡发生移动．图2表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势．当横坐标为压强时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______．
（2）常温下氨气极易溶于水，其水溶液可以导电．
④用方程式表示氨气溶于水且显弱碱性的过程：______；
⑤氨水中水电离出的c（OH-）______ 10-7 mol•L-1（填写“＞”、“＜”或“=”）；
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后，溶液中离子浓度由大到小依次为______．
正确答案
①合成氨工业有下列流程：原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离，从图1生产流程知，原料气氮气和氢气，经过氨的合成、氨的分离，所以X为氨气，Y为氮气和氢气的混合气，再循环利用，故答案为：NH3；
②A．升高温度，能使反应速率加快，但该反应正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，不利于氨的合成；增大压强，能使反应速率加快，反应也向正反应方向移动，但过高的压强，反应成本高，故A错误；
B．实际生产中采用400～500℃的高温，催化剂的催化活性最高，可以增加反应速率，缩短达到平衡的时间；故B正确；C．合成氨工业的原理是：N2+3H2
故答案为：BC．
③合成氨工业的原理是：N2+3H2
（2）④氨气和水反应生成氨水，氨水电离生成氢氧根离子和铵根离子，方程式为：NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-，
故答案为：NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-；
⑤水电离出氢离子和氢氧根离子，氨水是弱碱，电离出电离生成氢氧根离子和铵根离子，对水的电离起抑制作用，所以水电离出的c（OH-）＜10-7 mol•L-1，故答案为：＜；
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后，反应生成氯化铵溶液，铵根离子水解，c（Cl-）＞c（NH4+），氯化铵为强酸弱碱盐，水解后溶液呈酸性，c（H+）＞c（OH-），水解极其微弱，所以c（NH4+）＞c（H+），
故答案为：c（Cl-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-）；
实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：
（l）已知实验室可用饱和亚硝酸钠（NaNO2）溶液与饱和氯化钱溶液经加热后反应制取氮气，写出该反应的化学方程式：______．
（2）图中，氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有______．
（3）氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨______（“会”或“不会”）发生倒吸，原因是______．
（4）用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是______．锥形瓶中还可观察到的现象是：______．
（5）写出乙装置中氨氧化的化学方程式：______．
（6）用CH4催化还原NO2可以消除氮氧化物的污染．例如．
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，
写出CH4还原NO2至N2的热化学方程式______；若用标准状况下4.48LCH4还原NO2至N2整个过程中转移的电子总数为______（阿伏加德罗常数的值用N2表示），放出的热量为______kJ．
正确答案
（1）根据质量守恒定律及题干信息可知，反应物是NaNO2和NH4Cl，生成物是N2和H2O和NaCl，用观察法配平即可，反应方程式为：NH4Cl+NaNO2
（2）甲装置的作用有将气体混合均匀、控制氢气和氮气的流速、干燥气体，
故答案为：干燥气体，观察气泡速度，控制氢气和氮气的流速；
（3）氨气的混合气体中含有大量的氮气和氢气，均是难溶于水的气体，不会倒吸，
故答案为：不会；混合气体中含有大量难溶于水的氮气和氢气；
（4）氨的氧化反应是一个放热反应，放出的热使铂丝保持红热，生成的一氧化氮与空气中的氧气化合成二氧化氮，二氧化氮是红棕色气体，故答案为：氨的氧化反应是一个放热反应，放出的热使铂丝保持红热；有红棕色气体产生；
（5）氨的催化氧化反应方程式为：4NH3+5O2
（6）已知①CH4（g）+4N02（g）═4NO（g）+C02（g）+2H20（g）△H=-574kJ•mol-1，
②CH4（g）+4N0（g）═2N2（g）+C02（g）+2H20（g）△H=-1160kJ•mol-1，
则反应CH4（g）+2N02（g）═N2（g）+C02（g）+2H20（g）等于
根据盖斯定律，所以反应CH4（g）+2N02（g）═N2（g）+C02（g）+2H20（g）△H=
故答案为：CH4（g）+2N02（g）═N2（g）+C02（g）+2H20（g）△H=-867KJ/mol；1.6NA；173.4．
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+5O2
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+5O2
（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：
x=0.3
则H2转化率为
故答案为：30%
科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂（掺有少量Fe2O3的TiO2）表面与水发 生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（光照、N2压力l.0×l05 Pa、反应时间3h）：
相应的热化学方程式如下：
回答下列问题：
（1）请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。
（2）与目前广泛使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：_______________________。
（3）工业合成氨的反应为
①该条件下N2的平衡转化率；
②该条件下反应
正确答案
（1）
（2）研制新型、高效催化剂
（3）解：①设反应过程中消耗xmolN2(g)
平衡时反应体系总物质的量=[(0.60 -x)+（1.60 - 3x）+ 2x]mol=(2.20 -2x) mol
NH3(g)的物质的量分数=2x÷(2.20 -2x)=4/7 x=0.40
②
平衡时 ,c( NH3) =2×0. 40 mol /2. 0 L=0. 40 mol/L
c( N2)=(0. 60 - 0. 40) moI /2. 0 L=0. 10 moI/L
c( H2)=( 1. 60 -3×0.40) mol/2.0 L=0. 20 mol/L
我国硫酸工业年SO2排放量约10万吨，硫酸工业的尾气必须进行处理．
（1）某工厂采用氨-硫酸铵治理含硫烟气和同时吸收焦炉气中的氨，其工艺流程图如图1：
①从环境保护的角度看，采用上述工艺可防止______；设计一个简单的实验方案，检验尾气中是否含有氨气：______．
②氨气吸收塔中发生反应的离子方程式为______．
（2）有学者提出利用Fe3+的氧化性，将SO2氧化成SO42-而实现SO2的回收利用．
①图2实验Ⅰ可采用图3装置模拟测定烟气中SO2的体积分数．X溶液可以选用______．
②图2实验Ⅰ还可采用下列方案测定SO2的体积分数，取280mL（标准状况）气体样品与足量Fe2（SO4）3溶液完全反应后，用浓度为0.020mol/L的K2Cr2O7溶液滴定反应生成的Fe2+，至终点消耗K2Cr2O7溶液25.00mL．尾气中SO2的体积分数为______．
已知：Cr2O72-+Fe2++H+→Cr3++Fe3++H2O（未配平）
③假设实验Ⅱ在标准状况下进行，且已知混合气体流量．为测定转化器中SO2氧化成SO42-的转化率，该实验中还需测定的数据有______、______．
正确答案
（1）①含硫烟气可引起酸雨的产生，氨可引起水体氮富营养化；因氨气能使湿润的红色石蕊试纸变红，
故答案为：酸雨的产生、水体氮富营养化；将湿润的红色石蕊试纸伸入尾气样品中，观察试纸是否变蓝；
②NH4HSO3显酸性，能与碱性物质反应：NH4HSO3-+NH3•H2O═（NH4）2SO3+H2O，
故答案为：HSO3-+NH3•H2O═SO32-+NH4++H2O；
（2）①二氧化硫气体有还原性，与具有氧化性的酸性高锰酸钾或碘水反应，故答案为：碘的淀粉溶液（或酸性KMnO4溶液）；
②令样品中SO2的体积分数是x，则：
6SO2 ～12Fe2+～2Cr2O2-7
6mol 2mol
解得x=12.00%，
故答案为：12.00%；
③欲测定转化器中SO2氧化成SO42-的转化率，还需要测定时间和生成沉淀的质量，故答案为：实验时间；BaSO4的质量．
氨在国民经济中占有重要地位．请回答有关氨的下列问题：
（1）已知：N2（g）+O2（g）═2NO（g）△H=+akJ/mol
4NH3（g）+5O2（g）═4NO（g）+6H2O（g）△H=-bkJ/mol
2H2（g）+O2（g）═2H20（g）△H=-ckJ/mol
则N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）的△H=______；
（2）在一定温度下，将3molN2气体和7molH2气体通入到体积为1L的密闭容器中．当反应达到平衡时，容器内气体的压强为起始时的80%，则其平衡常数为______．改变下列条件，能使平衡向正反应方向进行且平衡常数不变的是______；
①增大压强 ②增大反应物质的浓度 ③使用催化剂 ④降低温度
（3）可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟（成份为氯化铵）生成．该反应的化学方程式为______；
（4）工业生产氨水的物质的量浓度为20mol/L，实验室若需用80mL浓度为5mol/L的氨水时，需取20mol/L的氨水______mL（用100mL的容量瓶）．假如该氨水的pH=a，加入相同体积的盐酸时，两溶液恰好反应，则此盐酸的pH______14-a（填“大于”“小于”或“等于”）．
正确答案
（1）根据盖斯定律，化学反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）可以由反应N2（g）+O2（g）═2NO（g）加上4NH3（g）+5O2（g）═4NO（g）+6H2O（g）乘以
（2）根据化学方程式中，反应前后的压强之比等于物质的量之比，设变化的氮气浓度为x，
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
初始浓度：3 7 0
变化浓度：x 3x 2x
平衡浓度：3-x 7-3x 2x
根据题意则
解得：x=1
据K=
（3）氯气和氨气的反应方程式为：8NH3+3Cl2═N2+6NH4Cl，故答案为：8NH3+3Cl2═N2+6NH4Cl；
（4）根据稀释前后溶质的量保持不变，设需取20mol/L的氨水体积为V，则：20mol/L•V=80mL•5mol/L，解得V=25ml，
氨水的pH=a，则氨水的浓度大于10a-14，所以消耗相同体积的盐酸的浓度大于10a-14，即此盐酸的pH小于14-a，故答案为：小于；
合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响．合成氨反应的化学方程式为：N2（g）+3H2（g）
3NH3（g）△H=-92.2kJ/mol．合成氨工业中原料气N2可从空气中分离得到，H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得．我国合成氨工业目前的生产条件为：催化剂-铁触媒，温度-400～500℃，压强-30～50MPa．
回答下列问题：
（1）合成氨工业中原料气压缩到30～50MPa的原因是______．从平衡移动原理分析，低温有利于原料气的转化，实际生产中采用400～500℃的高温，原因之一是考虑到催化剂的催化活性，原因之二是______．
（2）500℃、50MPa时，在容积为VL的容器中加入n mol N2、3n mol H2，反应达平衡后测得平衡常数为K，此时N2的转化率为x．则K和x的关系满足K=______．
（3）甲烷在高温下与水蒸气反应反应方程式为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）．部分物质的燃烧热数据如下表：
已知1mol H2O（g）转变为1mol H2O（l）时放出44.0kJ热量．写出CH4和H2O在高温下反应的热化学方程式______．
（4）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N2、H2为电极反应物，以HCl-NH4Cl为电解质溶液制取新型燃料电池．请写出该电池的正极反应式______．
正确答案
（1）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．
故答案为：加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率；增加反应速率，缩短达到平衡的时间；
（2）N2（g）+3H2（g）
2NH3（g）
起始：
转化：
平衡：
k=
故答案为：
（3）已知：①H2（g）+
②CO（g）+
③CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l））△H=-890.3kJ•mol-1，
④H2O（g）=H2O（l）△H=-44.0kJ•mol-1，
利用盖斯定律将④+③-②-3×①可得：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）
△H=（-44.0kJ•mol-1）+（-890.3kJ•mol-1）-（-283.0kJ•mol-1）-3×（-285.8kJ•mol-1）=+206.1 kJ•mol-1，
故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1 kJ•mol-1；
（4）N2在正极发生还原反应生成NH4+，电极反应式为N2+6e-+8H+=2NH4+，故答案为：N2+6e-+8H+=2NH4+．
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