- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
（2012秋•沙坪坝区校级期末）氨气是一种重要的化工原料，主要用于生产氮肥、硝酸、纯碱等化工产品．如图是合成氨，并联合生产硝酸、纯碱的简要流程示意图：
（1）设备A的名称是______，设置循环B→A的目的是______．
（2）反应①的化学方程式是______．反应③中氧化剂和还原剂的质量比为______．
（3）用两个化学方程式表示过程⑤中的反应过程．______
（4）上述纯碱生产中过程⑤CO2的主要来源是______．
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气在合成塔中生成氨气，原料的循环使用可以促使平衡正向移动，进而提高利用率，故答案为：合成塔；提高原料的利用率（或充分利用原料）
（2）氨气催化氧化得到一氧化氮，一氧化氮被氧化为二氧化氮，二氧化氮和水反应可以得到硝酸，第一个反应为：4NH3+5O2
（3）过量的二氧化碳可以和氨水溶液之间反应得到碳酸氢铵溶液，碳酸氢铵溶液和饱和氯化钠溶液混合可以得到溶解度较小的碳酸氢钠晶体，即NH3+CO2+H2O=NH4HCO3，NaCl+NH4HCO3=NaHCO3↓+NH4Cl，故答案为：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3，NaCl+NH4HCO3=NaHCO3↓+NH4Cl；
（4）天然气等燃料的燃烧会产生二氧化碳，是二氧化碳的主要来源，故答案为：天然气等燃料的燃烧．
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、合成氨生产中将NH3液化分离，可减慢正反应速率，提高N2、H2的转化率，故A错误；
B、硫酸工业中，在接触室安热交换器，目的是将放出的热量用来预热没反应的二氧化硫与氧气的混合气体，故B错误；
C、电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法，可防止阳极室产生的Cl2进入阴极室和氢氧化钠反应，故C错误；
D、向饱和食盐水中通入氨气再通入二氧化碳即可生成碳酸氢钠固体，碳酸氢钠受热分解即可得到碳酸钠，故D正确．
故选D．
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
解析
解：（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．
对于合成氨工业来说，下列叙述中正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无响应，故A错误；
B、催化剂和高压能加快反应速率，都能缩短达到平衡状态所用的时间，增大压强平衡正移，故B正确；
C、采用氮气、氢气的循环操作，平衡右移，能提高氮气、氢气的转化率，氨气随时液化分离出，对NH3的平衡浓度无影响，故C错误；
D、采用循环操作，氨气随时液化分离出，不一定加快反应速率，故D错误；
故选B．
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、及时从平衡混合物中分离出NH3，合成氨的产率增大，反应速率减小，故A错误；
B、硫酸工业中在接触室安装热交换器是为了利用二氧化硫生成三氧化硫的反应是放热，而不是利用SO3转化为H2SO4时放的热量，故B错误；
C、阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过，可防止C12和NaOH溶液反应，故C正确；
D、电镀池中，镀件是阴极，与电源的负极相连，故D正确．
故选CD．
【选修-化学与技术】合成氨工业的主要反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H＜O，下图是合成氨的简要流程示意图：
（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的原因是______．
（3）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩的原因是______；在合成塔中及时分离出氨气的目的是______．
（4）工业合成氨的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H＜O，当压强为30MPa，温度为500℃时，在容积为1L的密闭容器中充入1molN2和3molH2，反应达到平衡时NH3的体积分数为20%，求此时的平衡常数______．
（5）合成塔从上到下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气（冷的原料气）和反应气混合，请问这样设计的原因是什么？______．
正确答案
解析
解：（1）工业合成氨的流程中，原理氮气衡器依次通过的设备分别是：压缩机、热交换器、合成塔、冷凝器，
故答案为：热交换器；合成塔；N2和H2；
（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前为防止催化剂中毒，需进行净化，故答案为：防止催化剂中毒；
（3）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩，来增大压强，这样可以加快化学反应速率，还可以让化学平衡朝生成NH3的方向进行，减少生成物氨气的浓度可以使化学平衡向着正反应方向进行，
故答案为：增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH3的方向进行；减小生成物的浓度，使平衡朝生成NH3的方向进行；
（4）设氮气的转化量为x，
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始浓度 1 3 0
转化浓度 x 3x 2x
平衡浓度1-x 3-3x 2x
平衡时NH3的体积分数为20%，则
（5）冷的原料气和反应气混合，可以进行热交换，保证反映的温度，让催化剂的催化活性最大，故答案为：冷激气与每一层的反应混合气及时进行热交换，既预热原料气，又保证反应混合气的温度控制在500℃左右，使每一层的催化剂都能起到最大的催化作用．
（1）在恒温恒容密闭容器中进行的合成氨反应，N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），下列能表示达到平衡状态的是______（填序号）．
a．混合气体的压强不再发生变化
b．混合气体的密度不再发生变化
c．反应容器中N2、NH3的物质的量的比值不再发生变化
d．单位时间内断开a个H-H键的同时形成3a个N-H键
e．三种物质的浓度比恰好等于化学方程式中各物质的化学计量数之比
Ⅱ、能源问题是人类社会面临的重大课题，日本大地震引起的核泄漏事故引起了人们对核能源的恐慌．而甲醇是未来重要的绿色能源之一．以CH4和H2O为原料，通过下列反应来制备甲醇．
（1）将1.0molCH4和2.0molH2O（g）通入容积为10L的反应室，在一定条件下发生反应：CH4（g）+H2O（g）⇌CO（g）+3H2（g），测得在一定的压强下CH4的转化率与温度的关系如图．
①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示该反应的平均反应速率为______；
②100℃时反应的平衡常数为______．
（2）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH2的混合气体在催化剂作用下发生反应CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH （g）生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的
A．c（H2）减小
B．正反应速率加快，逆反应速率减慢
C．CH3OH的物质的量增加
D．重新平衡时c（H2）/c（CH3OH）减小
E．平衡常数K增大
（3）已知：反应：4HCl（g）+O2（g）⇌2Cl2（g）+2H2O（g）△H=-116kJ/mol，H2（g）+Cl2（g）═2HCl（g）△H=-184kJ/mol
Ⅱ．
请回答：
①H2与O2反应生成气态水的热化学方程式是______．
②断开1mol H-O 键所需能量约为______kJ．
正确答案
解析
解：I、（1）a．该反应随反应进行，气体的总的物质的量进行，压强降低，故混合气体的压强不再发生变化，说明到达平衡，故a正确；
b．混合气体的总质量不变，容器的体积不变，混合气体的密度始终不变，故b错误；
c．可逆反应到达平衡时，反应混合物各组分的浓度不发生变化，反应容器中N2的物质的量浓度不再发生变化，说明到达平衡，故c正确；
d．单位时间内断开a个H-H键的同时形成3a个N-H键，都表示正反应速率，不能说明到达平衡，故d错误；
e．反应混合物平衡时的浓度之比与起始浓度及转化率有关，平衡时可能等于化学计量数之比，也可能不等于，故e错误；
故答案为：a c；
II、（1）①）①100°时甲烷的转化率为40%，变化的甲烷为0.4mol，生成的氢气依据反应①CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氢气物质的量为1.2mol，用H2表示该反应的平均反应速率=
②依据化学平衡三段式计算平衡浓度、根据平衡常数的概念计算得到
CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）
起始量（mol/L）0.01 0.02 0 0
变化量（mol/L） 0.004 0.004 0.004 0.012
平衡量（mol/L）0.006 0.016 0.004 0.012
K=
故答案为：7.2×10-5（mol/L）2；
（2）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH2的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H2（g）=CH3OH（g）△H=-129.0kJ/mol；平衡后将容器的容积压缩到原来的
A、体积减小，c（H2）增大，故A错误；
B、压强增大，正逆反应速率都加快，故B错误；
C、体积减小，压强增大，平衡正向进行，CH3OH的物质的量增加，故C正确；
D、体积减小，压强增大，平衡正向进行，重新平衡时
E、平衡常数K只随温度的而变化，故E错误；
故选CD；
（3）①H2（g）+Cl2（g）═2HCl（g）△H=-184kJ/mol，
依据盖斯定律：①+②×2得到热化学方程式为：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=-484 kJ/mol，
故答案为：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=-484 kJ/mol；
②依据反应的热化学方程式：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）△H=-484 kJ/mol，
△H=断裂化学键吸收的能量-形成化学键放出的能量=2×436KJ+498KJ-4×H-O=-483.6 kJ，
则得到H-O的键能=463.5kJ，故答案为：463.5．
利用天然气合成氨的工艺流程示意如下：
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）n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol、产生H2______mol（用含n的代数式表示）
（3）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
（4）由KHCO3分解得到的CO2可以用于______（写出CO2的一种重要用途）．
（5）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是K2CO3（aq）循环，请在上述流程图中标出第三处循环（循环方向、循环物质）
正确答案
解析
解：（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）根据天然气合成氨的工艺流程图知10%的甲烷未与水蒸汽作用，甲烷与水反应的方程式为：
CH4（g）+H2O（g）→CO（g）+3H2（g）
1 3
0.9n mol 2.7nmol
故答案为：2.7n；
（3）K2CO3（aq）和CO2反应生成碳酸氢钾，K2CO3+CO2+H2O⇌2KHCO3，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；
（4）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）；
（5）上述流程图第三处循环使用的物质是氮气和氢气，故答案为：
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、合成氨生产中将NH3液化分离，可减慢正反应速率，故A错误；
B、氯碱工业中，采用离子交换膜法，可防止阳极室产生的Cl2进入阴极室和氢氧化钠反应，故B正确；
C、硫酸工业中，在接触室安热交换器，目的是将反应放出的热量用来预热没反应的二氧化硫与氧气的混合气体，故C错误；
D、硫酸工业中，SO2的催化氧化不采用高压，是因为常压下SO2转化率已经很高了，故D错误．
故选B．
氨气是工农业生产中重要的产品，合成氨并综合利用的某些过程如图所示：
（1）原料气中的氢气来源于水和碳氢化合物．请写出甲烷和水在催化剂和高温条件下反应的方程式：______．
（2）在工业生产中，设备A的名称为______，A中发生的化学反应方程式是______．
（3）上述生产中向母液通入氨气同时加入______，可促进副产品氯化铵的析出．长期使用氯化铵会造成土壤酸化，尿素适用于各种土壤，在土壤中尿素发生水解，其水解的化学方程式是______．
（4）纯碱在生产生活中有广泛的应用，请写出任意两种用途：______．
（5）图中所示工业制法获得的纯碱中常含有NaCl杂质，用下述方法可以测定样品中NaCl的质量分数．
样品m
①检验沉淀是否洗涤干净的方法是______．
②样品中NaCl的质量分数的数学表达式为______．
正确答案
解析
解：（1）依据题给的信息，甲烷与水在高温催化剂作用下生成二氧化碳（或一氧化碳）和氢气，故化学反应方程式为：CH4+2H2O 
故答案为：CH4+2H2O 
（2）在生产中，设备A中应生成目标产物纯碱，故A为沉淀池，发生的反应为：NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓，
故答案为：沉淀池；NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓；
（3）副产物为氯化铵，需要引入氯离子，且目标产物为纯碱，故在通入氨气的同时，加入NaCl，尿素的水解生成氨气和二氧化碳，故反应为：CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑，
故答案为：NaCl；CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑；
（4）纯碱在日常生活中应用广泛，常用于制玻璃、制肥皂、造纸、纺织、印染等，
故答案为：制玻璃、制肥皂；
（5）①检验沉淀是否洗净的方法为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净；若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净，
故答案为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净，若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净；
②生成ng固体为BaCO3，其物质的量为：
故氯化钠的质量为（m-
故答案为：（1-
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