- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
对于工业合成氨反应：N2+3H2⇌2NH3，下列说法错误的是（ ）
正确答案
解析
解：A．催化剂可降低反应物的活化能，提高活化分子百分数，提高反应速率，故A正确；
B．升高温度可提高活化分子的百分数，提高反应速率，故B正确；
C．该反应为可逆反应，反应物不可能完全转化，故C错误；
D．增大N2浓度，单位体积活化分子的数目增大，反应速率增大，故D正确．
故选：C．
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K1，此时N2的转化率为x．则K和x的关系满足K=______．若温度为400℃，平衡常数为K2，则K1______K2（填“＜”、“=”或“＞”）
（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．
①写出CO燃烧的热化学方程式______．
②2H2（g）+O2（g）═2H2O（g）△H=______kJ/mol．
正确答案
解：（1）合成氨工业中原料气压缩到30～50MPa，加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率，实际生产中采用400～500℃的高温，可以增加反应速率，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）根据题意：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），
初始物质的量：n 3n 0
变化物质的量：nx 3nx 2nx
平衡物质的量：n-nx 3n-3nx 2nx
则平衡常数为K1=
该反应是热反应，温度升高则平衡常数减小，所以K1＜K2，
故答案为：
（3）①1mol一氧化碳完全燃烧生成二氧化碳放出的热量是283KJ，即CO（g）+1/2O2（g）=CO2（g）△H=-283.0 kJ•mol-1，
故答案为：CO（g）+1/2O2（g）=CO2（g）△H=-283.0 kJ•mol-1；
②由表中数据可知：①2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1，
②2H2O（l）=2H2O（g）△H=88.0kJ•mol-1，
利用盖斯定律，将①+②可得：2H2（g）+O2（g）═2H2O（g），△H=-571.6kJ•mol-1+88kJ•mol-1=-483.6kJ•mol-1，
故答案为：-483.6．
解析
解：（1）合成氨工业中原料气压缩到30～50MPa，加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率，实际生产中采用400～500℃的高温，可以增加反应速率，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）根据题意：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），
初始物质的量：n 3n 0
变化物质的量：nx 3nx 2nx
平衡物质的量：n-nx 3n-3nx 2nx
则平衡常数为K1=
该反应是热反应，温度升高则平衡常数减小，所以K1＜K2，
故答案为：
（3）①1mol一氧化碳完全燃烧生成二氧化碳放出的热量是283KJ，即CO（g）+1/2O2（g）=CO2（g）△H=-283.0 kJ•mol-1，
故答案为：CO（g）+1/2O2（g）=CO2（g）△H=-283.0 kJ•mol-1；
②由表中数据可知：①2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1，
②2H2O（l）=2H2O（g）△H=88.0kJ•mol-1，
利用盖斯定律，将①+②可得：2H2（g）+O2（g）═2H2O（g），△H=-571.6kJ•mol-1+88kJ•mol-1=-483.6kJ•mol-1，
故答案为：-483.6．
硝酸生产中，500℃时，NH3和O2可能发生如下反应：
①4NH3 （g）+5O2 （g）⇌4NO （g）+6H2O （g）△H=-9072kJ•mol-1 K=1.1×1026
②4NH3 （g）+4O2 （g）⇌2N2O （g）+6H2O （g）△H=-1104.9kJ•mol-1 K=4，.4×1028
③4NH3 （g）+3O2 （g）⇌2N2 （g）+6H2O （g）△H=-1269.02kJ•mol-1 K=7，.1×1034
其中，②、③是副反应．若要减少副反应，提高单位时间内NO的产率，最合理的措施是（ ）
正确答案
解析
解：A、增大O2浓度，氧气过量时与NO反应生成NO2，则NO的产率减小，故A错误；
B、使用合适的催化剂，能增大反应速率，提高NO的产率，故B正确；
C、减小压强，反应速率减小，NO的产率减小，故C错误；
D、降低温度，反应速率减小，NO的产率减小，故D错误；
故选B．
合成氨工业中，常加热至500℃，下列有关叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、加热至500℃，可以加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，故A正确；
B、加热至500℃，正逆反应速率都会加快，不会出现加快v正、减小v逆的情况，故B错误；
C、该反应为放热反应，温度升高，反应向逆反应方向移动，故C错误；
D、该反应为放热反应，温度越低，反应越向着正向移动，原料的转化率越高，所以500℃不利于提高原料的利用率，故D错误；
故选A．
（1）X的化学式为______；X的状态为______态．
（2）据图分析，下列说法正确的是______（填写编号）．
a．在此温度下，有利于平衡正向移动，可提高氨的产量
b．铁触媒的使用有利于平衡正向移动
c．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制，选择此压强
d．为提高原料的转化率，采用循环操作
（3）常温下氨气极易溶于水，其水溶液可以导电．
①氨水中水的离子积常数的数值是______；
②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
NH3
液
c、d
10-14
c（Cl-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-）
解析
解：（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为液态的氨气，Y为氮气和氢气的混合气，再循环利用，故答案为：NH3；液；
（2）a．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，故不选；
b．铁触媒的使用有利于加快反应速率，但平衡不移动，故不选；
c．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，故选；
d．为提高原料的转化率，采用循环操作，提高原料的利用率，故选；
故选c、d；
（3）①温度不变水的离子积常数的数值是不变的，仍为10-14，故答案为：10-14；
②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-）．
合成氨尿素工业生产过程中涉及到的物质转化过程如图1所示．
（1）天然气在高温、催化剂作用下与水蒸气反应生成H2和CO的化学化学方程式为______．
（2）图2为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下，初始时氮气、氢气的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的体积分数．
①若分别用vA（NH3）和vB（NH3）表示从反应开始至达平衡状态A、B时的化学反应速率，则vA（NH3）______vB（NH3）（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在相同温度、当压强由p1变为p3时，合成氨反应的化学平衡常数______．（填“变大”、“变小”或“不变”）．
（3）NH3（g）与CO2（g）经过两步反应生成尿素，两步反应的能量变化示意图3如下：NH3（g）与CO2（g）反应生成尿素的热化学方程式为______．人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如图4所示．阳极室中发生的反应依次为______、______．
（4）运输氨时，不能使用铜及其合金制造的管道阀门．因为在潮湿的环境中，金属铜在有NH3存在时能被空气中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，该反应的离子方程式为______．
正确答案
解：（1）甲烷与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气，该反应为CH4+H2O
故答案为：CH4+H2O
（2）①温度越大，压强越大，反应速率越大，由图可知，B对应的温度、压强大，则反应速率大，
故答案为：＜；
②化学平衡常数只与温度有关，显然温度不变，则化学平衡常数K不变，
故答案为：不变；
（3）由图示可知，第一步：2NH3（g）+CO2（g）⇌H2NCOONH4（l，氨基甲酸铵）△H1=-272KJ/mol，
第二步：H2NCOONH4（l）⇌H2O（l）+H2NCONH2（s）△H2=+138KJ/mol，
根据盖斯定律，两个过程相加得到NH3（g）与CO2（g）反应生成尿素的热化学方程式为2NH3（g）+CO2（g）⇌H2O（l）+H2NCONH2（s）△H=-134kJ•mol-1；
由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl，阳极室中发生的反应依次为：2Cl--2e-=Cl2↑、CO（NH2）2+3Cl2+H2O=N2+CO2+6HCl，
故答案为：2NH3（g）+CO2（g）═CO（NH2）2（s）+H2O（l）△H=-134 kJ/mol；2Cl--2e-=Cl2↑；CO（NH2）2+3Cl2+H2O=N2+CO2+6HCl；
（4）铜在有NH3存在时能被空气中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，该离子反应为2Cu+8NH3+O2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-，
故答案为：2Cu+8NH3+O2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-．
解析
解：（1）甲烷与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气，该反应为CH4+H2O
故答案为：CH4+H2O
（2）①温度越大，压强越大，反应速率越大，由图可知，B对应的温度、压强大，则反应速率大，
故答案为：＜；
②化学平衡常数只与温度有关，显然温度不变，则化学平衡常数K不变，
故答案为：不变；
（3）由图示可知，第一步：2NH3（g）+CO2（g）⇌H2NCOONH4（l，氨基甲酸铵）△H1=-272KJ/mol，
第二步：H2NCOONH4（l）⇌H2O（l）+H2NCONH2（s）△H2=+138KJ/mol，
根据盖斯定律，两个过程相加得到NH3（g）与CO2（g）反应生成尿素的热化学方程式为2NH3（g）+CO2（g）⇌H2O（l）+H2NCONH2（s）△H=-134kJ•mol-1；
由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl，阳极室中发生的反应依次为：2Cl--2e-=Cl2↑、CO（NH2）2+3Cl2+H2O=N2+CO2+6HCl，
故答案为：2NH3（g）+CO2（g）═CO（NH2）2（s）+H2O（l）△H=-134 kJ/mol；2Cl--2e-=Cl2↑；CO（NH2）2+3Cl2+H2O=N2+CO2+6HCl；
（4）铜在有NH3存在时能被空气中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，该离子反应为2Cu+8NH3+O2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-，
故答案为：2Cu+8NH3+O2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-．
请回答下列问题：
（1）与①比较，②和③分别仅改变一种反应条件．所改变的条件是：②______；③______；
（2）实验①的平衡常数K=______（用最简分数表示），该反应进行到2h时的平均反应速率v（H2）=______；
（3）氨是工业合成尿素（H2NCONH2）的重要原料，工业上合成尿素的反应分为如下两步：
第1步：2NH3（l）+CO2（g）═H2NCOONH4（氨基甲酸铵）（l）△H1=-330.0kJ•mol-1
第2步：H2NCOONH4（l）═H2O（l）+H2NCONH2（l）△H2=+226.0kJ•mol-1
则2NH3（l）+CO2（g）═H2O（l）+H2NCONH2 （l）△H=______．
（4）工业上利用反应 3Cl2+2NH3═N2+6HCl检查氯气管道是否漏气．当转移6mol 电子时，生成氮气在标准状况下的体积是______L．
（5）相同pH的氨水和NaOH溶液加水稀释相同的倍数，pH变化曲线如图所示，则x曲线代表的物质是______，当a=9时，稀释后溶液的体积是稀释前溶液体积的______倍．
正确答案
加入催化剂
降低温度
0.75mol•L-1•h-1
-104kJ•mol-1
22.4
氨水
100
解析
解：（1）与①比较，②条件下建立的平衡和①相同，但是化学反应速率加快了，所以改变的条件是加入催化剂，③的化学反应速率减慢，并且平衡时氮气的物质的量变小了，平衡正向移动了，所以改变的条件是降低温度，故答案为：加入催化剂；降低温度；
（2）根据实验①，列三行内容如下：
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
初始浓度：1 3 0
变化浓度：0.5 1.5 1.0
平衡浓度：0.5 1.5 1.0
化学平衡常数K=
故答案为：
（3）已知①2NH3（l）+CO2（g）═H2NCOONH4（氨基甲酸铵）（l）△H1=-330.0kJ•mol-1
②H2NCOONH4（l）═H2O（l）+H2NCONH2（l）△H2=+226.0kJ•mol-1，则反应2NH3（l）+CO2（g）═H2O（l）+H2NCONH2 （l）可以是①+②所得，所以该反应的焓变△H=-330.0kJ•mol-1+226.0kJ•mol-1=-104 kJ•mol-1，故答案为：-104kJ•mol-1；
（4）氧化还原反应3Cl2+2NH3═N2+6HCl中，化合价升高值=化合价降低值=转移电子数=6，即当转移6mol 电子时，生成氮气物质的量是1mol，在标准状况下的体积是22.4L，故答案为：22.4；
（5）pH的氨水和NaOH溶液加水稀释相同的倍数，强碱氢氧化钠的pH变化幅度大，弱碱氨水的变化幅度小，所以x曲线代表的物质是氨水，根据氢氧化钠稀释前后，pH变化从9到11，所以稀释了100倍，即稀释后溶液的体积是稀释前溶液体积的100倍，故答案为：氨水；100．
氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题．
（1）下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值．
①分析数据可知：大气固氮反应属于______（填“吸热”或“放热”）反应．
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因______．
③从平衡视角考虑，工业固氮应该选择常温条件，但实际工业生产却选择500℃左右的高温，解释其原因______．
（2）工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强（р1、р2）下随温度变化的曲线，下图所示的图示中，正确的是______（填“A”或“B”）；比较р1、р2的大小关系______．
（3）20世纪末，科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现高温常压下的电化学合成氨，提高了反应物的转化率，其实验简图如C所示，阴极的电极反应式是______．
（4）近年，又有科学家提出在常温、常压、催化剂等条件下合成氨气的新思路，反应原理为：2N2（g）+6H2O⇌4NH3（g）+3O2（g），则其反应热△H=______．
（已知：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4kJ•mol-1，2H2（g）+O2（g）⇌2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1）
正确答案
解：（1）①由表格数据可知，温度越高，K越大，说明升高温度，平衡正移，则正反应方向为吸热反应，故答案为：吸热；
②由表格数据可知，2000℃时，K=0.1，K值很小，则转化率很小，不适合大规模生产，所以人类不适合大规模模拟大气固氮，
故答案为：K值小，正向进行的程度小（或转化率低），不适合大规模生产；
③合成氨反应中，反应温度越高，反应速率越快，但是该反应为放热反应，温度高转化率会降低，而且在500℃左右催化剂活性最高，所以从催化剂活性等综合因素考虑选择500℃左右合适；
故答案为：从反应速率角度考虑，高温更好，但从催化剂活性等综合因素考虑选择500℃左右合适；
（2）合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率减小，所以图A正确，B错误；该反应正方向为体积减小的方向，增大压强平衡正向移动，转化率增大，р2的转化率大，则р2大；
故答案为：A；р2＞р1；
（3）电解池中氮气在阴极得电子生成氨气，其电极方程式为：N2+6e-+6H+=2NH3，故答案为：N2+6e-+6H+=2NH3；
（4）已知：①N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4kJ•mol-1，
②2H2（g）+O2（g）⇌2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1，
由盖斯定律：①×2-②×3得2N2（g）+6H2O（l）⇌4NH3（g）+3O2（g），△H=（-92.4kJ•mol-1）×2-（-571.6kJ•mol-1）×3=+1530 kJ•mol-1；
故答案为：+1530 kJ•mol-1．
解析
解：（1）①由表格数据可知，温度越高，K越大，说明升高温度，平衡正移，则正反应方向为吸热反应，故答案为：吸热；
②由表格数据可知，2000℃时，K=0.1，K值很小，则转化率很小，不适合大规模生产，所以人类不适合大规模模拟大气固氮，
故答案为：K值小，正向进行的程度小（或转化率低），不适合大规模生产；
③合成氨反应中，反应温度越高，反应速率越快，但是该反应为放热反应，温度高转化率会降低，而且在500℃左右催化剂活性最高，所以从催化剂活性等综合因素考虑选择500℃左右合适；
故答案为：从反应速率角度考虑，高温更好，但从催化剂活性等综合因素考虑选择500℃左右合适；
（2）合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率减小，所以图A正确，B错误；该反应正方向为体积减小的方向，增大压强平衡正向移动，转化率增大，р2的转化率大，则р2大；
故答案为：A；р2＞р1；
（3）电解池中氮气在阴极得电子生成氨气，其电极方程式为：N2+6e-+6H+=2NH3，故答案为：N2+6e-+6H+=2NH3；
（4）已知：①N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4kJ•mol-1，
②2H2（g）+O2（g）⇌2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1，
由盖斯定律：①×2-②×3得2N2（g）+6H2O（l）⇌4NH3（g）+3O2（g），△H=（-92.4kJ•mol-1）×2-（-571.6kJ•mol-1）×3=+1530 kJ•mol-1；
故答案为：+1530 kJ•mol-1．
（2015春•长春校级期末）下列有关工业合成氨的说法不能用平衡移动原理解释的是（ ）
正确答案
解析
解：A．增大氮气和氢气的浓度，反应物浓度增大，化学平衡向着正向移动，所以可以用平衡移动原理解释，故A错误；
B．N2+3H2⇌2NH3是一个反应前后气体体积减小的可逆反应，增大压强，平衡正向移动，所以可以用平衡移动原理解释，故B错误；
C．将氨液化分离，降低生成物浓度，平衡正向移动，所以可以用平衡移动原理解释，故C错误；
D．催化剂只改变化学反应速率，不改变平衡移动，使用铁触媒不能用平衡移动原理解释；且该反应为放热反应，温度越低越有利于平衡向着正向移动，所以该条件不能用平衡移动原理解释，故D正确；
故选D．
关于合成氨工业的下列说法正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、虽然反应出来的混合气体NH3比较低，但原料循环使用，连续化生产，所以所以生产氨的工业的效率不低，故A错误；
B、由于氨易液化，可以分离出氨气，使平衡向着正向移动，提高原料转化率，而且N2、H2是循环使用，所以总体来说氨的生产率很高，故B正确；
C、合成氨是放热反应，所以低温有利合成氨，但反应速率跟温度有关，温度越高速率越大，所以温度是取在既保证一定速率，又保证反应尽量向正反应移动，同时还要确保催化剂活性，因为催化剂活性跟温度关系极大；一般合成氨反应温度控制在400～500℃左右是保证催化剂的催化活性最大，故C错误；
D、合成氨的反应是分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高正反应速率，跟催化剂无关，故D错误；
故选B．
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