- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
“C1化学”是指以分子中只含一个碳原子的物质为原料进行物质合成的化学。“C1化学”对于缓解日益 严重的能源危机、合理利用煤和天然气等化石燃料、保护环境等都有非常重要的意义。合成气(CO+H2)是 “C1化学”中的常用原料。
(1)煤气化可生成合成气，该反应的化学方程式为____________________，用该方法生产合成气的一个典型缺陷是___________。
(2)将甲烷氧化可制合成气：CH4(g)+1/2O2(g)
(3)通过乙醇制取合成气具有良好的应用前景。由乙醇制取合成气有如下两条路线：
a．水蒸气催化重整：CH3CH2OH(g)+H2O(g)→4H2(g)+2CO(g) △H=+255.58 kJ/mol
b．部分催化氧化：CH3CH2OH(g)+1/2O2(g)→ 3H2(g)+2CO(g) △H=+13.76 kJ/mol
下列说法错误的是____。
A．从原料消耗的角度来看，a路线制氢更有价值
B．从能量消耗的角度来看，b路线制氢更加有利
C．a路线制氢由于要消耗很多能量，所以在实际生产中意义不大
D．在以上两个反应中，原子利用率较高的是b反应
(4)工业用合成气制备二甲醚的生产流程如下：
催化反应室中(压力2.0~ 10.0 MPa，温度230~ 280℃)进行下列反应：
CO(g)+2H2(g)
2CH3OH(g)
CO(g) +H2O(g)
①催化反应室中总反应3CO(g)+3H2(g)
②上述流程中，可以循环使用的物质有____________。
正确答案
(1)C+H2O(g)
(2)自发
(3)D
(4)①-246.1 kJ/mol；>；②CO、H2、甲醇和水
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
（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）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．
氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一．
（1）传统哈伯法合成氨工艺中相关的反应式为：N2+3H2
①该反应的平衡常数K的表达式为：K=______．升高温度，K值______（填“增大”“减小”或“不变”）．
②不同温度、压强下，合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表（N2和H2的起始物质的量之比为1：3）．分析表中数据，______（填温度和压强）时H2转化率最高，实际工业生产不选用该条件的主要原因是______．
③下列关于合成氨说法正确是______（填字母）
A．使用催化剂可以提高氮气的转化率
B．寻找常温下的合适催化剂是未来研究的方向
C．由于△H＜0、△S＞0，故合成氨反应一定能自发进行
D．增大n（N2）：n（H2）的比值，有利于提高H2的转化率
（2）最近美国Simons等科学家发明了不必使氨先裂化为氢就可直接用于燃料电池的方法．它既有液氢燃料电池的优点，又克服了液氢不易保存的不足．其装置为用铂黑作为电极，加入电解质溶液中，一个电极通入空气，另一电极通入氨气．其电池反应为
4NH3+3O2=2N2+6H2O
你认为电解质溶液应显______ 性（填“酸性”、“中性“、“碱性”），写出负极电极反应式______．
正确答案
（1）①根据化学方程式可写出平衡常数为k=
故答案为：k=
②200℃、100MPa时氨气的含量最大，则H2转化率最高，但实际工业生产中越强不能太大，因压强太高，对生产设备要求也高，难以实现，
故答案为：200℃、100MPa；压强太高，对生产设备要求也高，难以实现；
③A．催化剂不影响平衡移动，故A错误；
B．寻找常温下的合适催化剂可减少能量的消耗，为研究的主要方向，故B正确；
C．△S＜0，需在一定温度下才能进行，故C错误；
D．增大n（N2）可提高H2的转化率，故D正确．
故答案为：BD；
（2）氨气为碱性气体，易与酸反应，所以电解质溶液应呈碱性，负极发生氧化反应，氨气被氧化生产氮气，电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O，
故答案为：碱性；2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O．
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．t℃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）合成培中发生反应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______300℃（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）N2和H2在铁作催化剂作用下从145℃就开始反应，不同温度下NH3产率如图所示．温度高于900℃时，NH3产率下降的原因______．
（4）在上述流程图中，氧化炉中发生反应的化学方程式为______．
（5）硝酸厂的尾气含有氮的氧化物，如果不经处理直接排放将污染空气．目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水，反应机理为：
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
则甲烷直接将N02还原为N2的热化学方程式为：______．
（6）氨气在纯氧中燃烧，生成一种单质和水，试写出该反应的化学方程式______，科学家利用此原理，设计成氨气一氧气燃料电池，则通入氨气的电极是______ （填“正极”或“负极”）；碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为______．
正确答案
（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=
（2）对于放热反应，温度越高，则化学平衡逆向移动，导致平衡常数减小，所以T1＜300℃，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，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）氧化炉中是氨的催化氧反应，方程式为：4NH3+5O2
（5）根据题意：①
根据盖斯定律反应CH4（g）+2NO2（g）═N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）可以看成是①+②，所以△H=-287kJ•mol-1-580kJ•mol-1=-867kJ•mol-1，
故答案为：CH4（g）+2NO2（g）═N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867kJ•mol-1；
（6）氨气在纯氧中燃烧，生成氮气和水，化学方程式为：4NH3+5O2
利用天然气合成氨的工艺流程示意图如图1所示：
依据上述流程，完成下列填空：
（1）天然气脱硫时的化学方程式是______．
（2）K2CO3（aq）和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是______（多选扣分）．
（a）相似相溶原理 （b）勒沙特列原理 （c）酸碱中和原理
（3）由KHCO3分解得到的CO2可以用于______（写出CO2的一种重要用途）．
（4）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是K2CO3（aq）循环，请在图2中标出上述流程图第三处循环（循环方向、循环物质）．
（5）在一定温度和压强的密闭合成反应器中，H2和N2混合气体平均相对分子质量为8.5，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气的平均式量为10，请计算此时H2的转化率（写出计算过程）：______．
正确答案
（1）硫化氢是酸性气体，可以和碱氢氧化铁发生中和反应：3H2S+2Fe（OH）3→Fe2S3+6H2O，
故答案为：3H2S+2Fe（OH）3═Fe2S3+6H2O；
（2）K2CO3（aq）和CO2反应生成碳酸氢钾，增大压强，化学平衡向右进行，符合化学平衡移动原理，故答案为：b；
（3）二氧化碳可以和氢氧化钠反应生碳酸钠，固体二氧化碳干冰易升华可以做制冷剂，故答案为：生产纯碱（或作制冷剂等）；
（4）上述流程图第三处循环使用的物质是氮气和氢气，即
，故答案为：
；
（5）设充入气体总量为1mol，氮气为x，则氢气为（1-x）．
则有：28x+2（1-x）=8.5解得：N2：x=0.25mol H2：1mol-0.25mol=0.75mol
又设平衡时N2转化y，则：
N2 +3H2⇌2NH3
起始 0.25mol 0.75mol 0
变化 y 3y 2y
平衡 （0.25-y）mol （0.75-3y）mol 2ymol
则有：
解得：y=0.075mol
则氢气的转化率为：
答：此时H2的转化率为30%．
合成氨工业的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0工业合成氨生产示意图如图1所示．
（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）Y的主要成分为______；
（3）化工生产条件选定的主要原因是（选填字母序号）______；
A．温度、压强对化学平衡的影响；
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．
（4）改变反应条件，会使平衡发生移动．如图2象表示随条件改变，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）______．
（5）合成氨工厂常通过测定反应前后的混合气体密度来确定氮的转化率．某工厂测得合成塔中N2、H2的密度为0.5536g/L（标准状况），从合成塔中出来的混合气体密度为0.693g/L．则该合成氨厂N2的转化率为多少？______．
正确答案
（1）根据平衡常数的书写要求，该反应的化学平衡常数表达式K=
（2）Y的主要成分为NH3分离后的N2、H2，故答案为：N2、H2；
（3）若要加快化学反应速率及平衡正向移动，应选择高温、高压、催化剂，但催化剂铁触媒在500℃时活性最大，加压有利于平衡正向移动，但对动力、材料、设备等条件要求高，所以压强不能太大，故答案为：BC；
（4）当横坐标为压强时，因为增大压强，平衡正向移动，NH3含量增大，变化趋势正确的是b，当横坐标为温度时，因为反应正向放热，升温，平衡逆向移动，NH3含量降低，变化趋势正确的是a，故答案为：b，a
（5）设反应前混合气体中氮气的物质的量分数为x，氢气物质的量分数为（1-x），依题意得：
28x+2（1-x）=0.5536×22.4 解得x=0.4
所以N2、H2的物质的量之比为2：3
设起始N2的物质的量为2mol，H2为3 mol，N2的转化量为y
N2 +3H2 ⇌2NH3
2 3 0
y 3y 2y
2-y 3-3y 2y
总物质的量=2-y+3-3y+2y=（5-2y）mol
y=0.5 mol
所以N2的转化率为
（1）工业上合成氨的反应方程式为______，反应是在______中进行，该设备的出口处的气体是______（填写分子式）．
（2）纯水中含有10电子的粒子有______种．
（3）向氢氧化钠溶液中逐渐加入盐酸至中性的过程中，水的电离程度______（填增大、减小、不变）．
（4）将1mol/L的氯化铁溶液和3mol/L的硫氰化钾溶液等体积混合，所得溶液中K+的物质的量浓度为______mol/L．
（5）用润湿的pH试纸测得的0.01mol/LNaOH溶液的pH______12（填＜、＞、=）．
正确答案
（1）工业合成氨的反应是可逆反应，不能进行到底，即最终得到的反应体系中既有反应物又有生成物，该反应需要一定的温度、压强和催化剂．
因此，合成氨的反应方程式为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2
（2）水的电离方程式为：H2O⇌OH-+H+，其中H+要与H2O结合成H3O+，纯水中含有10个电子的微粒有H2O、OH-、H3O+，即共有3种．故答案为：3；
（3）水的电离方程式为：H2O⇌OH-+H+，加酸、加碱都抑制水的电离，中性条件下水的电离程度最大（水解除外），向氢氧化钠溶液中加盐酸至中性，水的电离程度要由小变大，即增大．故答案为：增大；
（4）两溶液混合后，Fe3+要与SCN-发生反应，而K+本身不参与反应，其物质的量不变，设溶液体积为1L，则混合液中c（K+）=1L×3mol/L/（1L+1L）=1.5mol/L．故答案为：1.5；
（5）0.01mol/LNaOH溶液的pH为12，测定溶液的pH时，所用pH试纸不能用水湿润，否则，将会把NaOH溶液稀释，其pH将会变小，即小于12．故答案为：＜．
工业上合成氨在一定条件下进行如下反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.44kJ/mol．其部分工艺流程如图1所示：
（1）合成氨所需要的原料气中，氮气取自______，氢气来源于______．
（2）对原料气进行净化处理的目的是______．
（3）设备A的名称是______，设备B的名称是______．
（4）在20～50Mpa时，工业合成氨选择在400-500℃的温度进行反应，主要原因是______．
（5）据《科学》杂志报道，希腊化学家在常压下将氢气和用氢气稀释的氮气分别通入一个加热到570℃的电解池（如图2）中，氢和氮在电极上合成了氨，且转化率达到了78%．则：阳极反应为______，阴极反应为______．
正确答案
（1）根据工业生产中，氮气来自空气，氢气来自水和碳氢化合物，故答案为：空气；水和碳氢化合物；
（2）工业上在合成氨的过程中，必须对原料进行净化，防止催化剂铁触媒中毒，而减小催化活性，故答案为：防止催化剂中毒；
（3）合成氨的设备依次有：压缩机、合成塔、冷凝器、氨分离器、循环压缩机，故答案为：冷凝器；循环压缩机；
（4）合成氨的过程中，为保障反应速率和限度较大、催化剂的活性大，要选择适宜的温度400-500℃，故答案为：此温度下催化剂的活性大；
（5）氢和氮在电极上合成了氨的电解池中，阳极是氢气发生失电子的氧化反应，即H2-2e-═H2↑，阴极是氮气发生得电子的还原反应，即N2+6e-+6H+═2NH3，故答案为：H2-2e-═2H+；N2+6e-+6H+═2NH3．
Ⅰ污水经过一级、二级处理后，还含有少量Cu2+、Hg2+、Pb2+等重金属离子，可加入沉淀剂使其沉淀．下列物质不能作为沉淀剂的是______
A．氨水 B．硫化氢气体
C．硫酸钠溶液 D．纯碱溶液
Ⅱ合成氨的流程示意图如下：
回答下列问题：
（1）工业合成氨的原料是氮气和氢气．氮气是从空气中分离出来的，通常使用的两种分离方法是______，______；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A中含有电加热器、触煤和热交换器，设备A的名称______，其中发生的化学反应方程式为______；
（3）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______；
（4）设备C的作用______；
（5）在原料气制备过程中混有CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO，可通过如下反应来实现：
CO（g）+H2O（g）⇌CO2 （g）+H2 （g）
已知1000K时该反应的平衡常数K=0.627，若要使CO的转化超过90%，则起始物中c（H2O）：c（CO）不低于______．
正确答案
ⅠA．加入氨水，易形成络离子，不能生成沉淀，故A错误；
B．加入硫化氢气体，生成硫化铜、硫化汞、硫化铅等沉淀，故B正确；
C．不能使Cu2+生成沉淀，故C错误；
D．均能通过双水解调节pH转化为沉淀，故D正确．
故答案为：AC；
Ⅱ（1）分离空气提取氮气的方法有两种，以上液化、分馏空气，另一种为空气与碳反应生成二氧化碳，反应后除去二氧化碳气体；C和水反应的方程式为C+H2O
故答案为：液化、分馏；与碳反应后除去CO2；C+H2O
（2）合成氨的设备为合成塔，发生N2（g）+3H2（g） 
故答案为：合成（氨）塔；N2（g）+3H2（g） 
（3）冷凝分离设备为冷凝塔或冷凝器，水流和气流方向应逆向，则入水口是n，高温气体由冷凝塔上端进入，冷凝水从下端进入，可使冷水充满冷凝器，逆向冷凝效果好，
故答案为：冷凝塔或冷凝器；n；高温气体由冷凝塔上端进入，冷凝水从下端进入，逆向冷凝效果好；
（4）分离器用来分离液氨和原料气，故答案为：将液氨与未反应的原料气分离；
（5）设CO的起始浓度为xmol，H2O的起始浓度为ymol，则转化的CO的最小值为0.9x，
CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）
起始 x y 0 0
变化 0.9x 0.9x 0.9x 0.9x
平衡 0.1x y-0.9x 0.9x 0.9x，
根据平衡常数列式：
解得：
故答案为：13.8．
（1）工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素。已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生
A．CO B．石脑油（
（2）
①
②医药上把BiOCl叫做交氯酸铋，分析这种名称是否合理：_______________．
③把适量的
正确答案
（1）B
（2）①
③浓NaOH溶液中，
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