- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
现在普遍应用的工业合成氨的方法是哈伯于1905年发明的，但此法反应物的转化率不高．
已知：1mol N2（g）与适量H2（g）完全反应，生成NH3（g），放出92.2kJ热量，写出反应的热化学方程式：______．
（2）若该反应在298K、398K时的化学平衡常数分别为K1、K2，则K1______K2（填“＞”“=”或“＜”）．
（3）在一定温度下，向容积不变（始终为10L）的密闭容器中加入2mol N2、8mol H2及固体催化剂．10分钟后反应达到平衡状态，容器内气体压强变为起始的80%，此时氨气的体积分数为______，用氮气表示的反应速率为：______．若想提高氨气的产率，根据化学平衡移动原理，请提出合理的建议：
______（任意写一条）．
（4）在上述相同条件下，若起始时加入4mol NH3、2mol H2及固体催化剂，反应达到平衡时NH3的体积分数比（3）中______（填“大”、“小”或“相等”）．
（5）氨被氧化生成一氧化氮的化学方程式为：______．
（6）随着对合成氨研究的发展，2001年两位希腊化学家提出了电解合成氨的方法，即在常压下把氢气和用氦气稀释的氮气，分别通入一个加热到570℃的电解池中，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，实现了常压、570℃条件下高转化率的电解法合成氨（装置如图）．
请回答：在电解法合成氨的电解池中______（填“能”或“不能”） 用水作电解质溶液的溶剂，原因是______．
钯电极A是电解池的______极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是______．
正确答案
解析
解：（1）根据热化学方程式的含义可得到：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.2kJ•mol-1，
故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.2kJ•mol-1；
（2）此反应正向是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数K减小，所以 K1＞K2，故答案为：＞；
（3）N2（g）+3H2（g）═2NH3（g）
起始浓度：0.2 0.8 0
平衡浓度：0.2-x 0.8-3x 2x
0.2-x+0.8-3x+2x=（0.2+0.8）×80%
解得：x=0.1mol/L，所以v（NH3）=
故答案为：25%；0.01mol/（L•min）；增大氢气浓度（或增大氮气浓度或增大反应物浓度或降温或增大压强或及时转移走生成的氨）；
（4）加入4mol氨气，相当于加2molN2和6molH2，因此加上原有2molH2，就等于加入了2molN2和8molH2，跟3的投料情况一样．按照等效平衡，在恒温恒容条件下，对于体积改变之反应，通过换算，只要与原平衡起始加入量相同，则二者的平衡等效，所以3和4是等效平衡，故答案为：相等；
（5）氨气被氧化方程式：4NH3+5O2
（6）在电解法合成氨的电解池中不能用水作电解质溶液的溶剂，原因是新法合成氨电解池的反应温度是570℃时，水为水蒸气，钯电极A是电解池的阴极，氨气发生氧化反应：N2+6e-+6H+═2NH3
故答案为：不能；新法合成氨电解池的反应温度是570℃时，水为水蒸气；阴； N2+6e-+6H+═2NH3．
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．
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 
（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，物质的量为：
传统合成氨工业需要采用高温、高压和催化剂．近来美国化学家使用新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气．下列说法正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A．反应热与反应途径无关，所以旧法合成氨与新法合成氨都是放热反应，故A错误；
B．与旧法相比较，新法合成氨不需要在高温条件下，可节约大量能源，简化生产设备，具有发展前景，故B正确；
C．催化剂只能改变反应速率，对反应物的转化率没有影响，所以新型催化剂不会提高N2和H2的转化率，故C错误；
D．化学平衡常数与反应温度有关，两种方法的反应温度不同，则化学平衡常数一定不同，故D错误；
故选B．
有关合成氨工业的说法中，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，所以生产氨的工厂效率不低，故A错误．
B、由于氨易液化，可以抽出氨气，使平衡正移，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，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500℃是保证催化活性最大，不是为了使化学平衡向正反应方向移动，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．
（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
N2+3H2
合成塔
N2、H2、NH3
3
增大
1.5
＜
解析
解：（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：＜．
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、合成氨生产过程中将NH3液化分离，即减小生成物氨气的浓度，可以使化学反应速率减慢，但是能提高N2、H2的转化率，故A错误；
B、氧化镁的熔点高，工业上是电解熔融的氯化镁制取镁，故B错误；
C、电解精炼铜时，阳极是粗铜，金属Zn、Fe等活泼金属先于金属铜失电子，阴极是铜离子的电子的过程，同一时间内，即转移电子一样的情况下，阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小，故C错误；
D、海带不溶于水，需要先煅烧为灰，再溶解，过滤除去杂质，最后用四氯化碳等有机溶剂萃取得到碘单质，故D正确．
故选D．
甲烷是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分，可用作燃料及制造氢气、一氧化碳、甲醛等物质的原料，其中用作制氢气合成氨的工艺流程示意图如下：
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，假设后面几步转化各物质均完全反应，则理论上可制备得到______氨气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______．
A．相似相容原理 B．勒夏特列原理 C．酸碱中和原理
（4）分析流程示意图回答，该合成氨工艺主要起始原料是______，辅助原料有______．
（5）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是______循环，三是N2、H2循环．
正确答案
3H2S+2Fe（OH）3═Fe2S3+6H2O
2.7n
2.5n
B
CH4、H2O、空气
K2CO3、Fe（OH）3
K2CO3（aq）
解析
（1）流程图中已给出反应物是H2S和Fe（OH）3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4没有参与反应，所以天然气脱硫时的化学方程式为3H2S+2Fe（OH）3═Fe2S3+6H2O，
故答案为：3H2S+2Fe（OH）3═Fe2S3+6H2O；
（2）根据方程式CH4+H2O→CO+3H2可知，生成CO0.9nmol，则生成氢气3×0.9nmol=2.7nmol．二次转化后，CH4全部转化为CO，即工生成nmolCO，和水蒸气反应：CO+H2O→CO2+H2，又产生nmol氢气，因此总共生成3.7nmol氢气，所以若后面几步转化各物质均完全反应，则理论上可制备得到氨气3.7nmol×2×
故答案为：2.7n，2.5n；
（3）CO2为气体，与K2CO3（aq）反应体积减小，所以加压有利于平衡右移，依据是勒夏特列原理，故选B；
（4）根据流程示意图可知，该合成氨工艺主要起始原料是CH4、H2O、空气，而辅助原料是K2CO3、Fe（OH）3，故答案为：CH4、H2O、空气；K2CO3；Fe（OH）3；
（5）合根据流程示意图可知，循环利用的物质除了氢氧化铁、氮气和氢气外，还有碳酸钾，故答案为：K2CO3（aq）．
NH3是一种重要的工业原料．下列关于合成氨的说法中，不正确的是（ ）
正确答案
解析
解：NH3是一种重要的工业原料．合成氨反应为：N2+3H2
A．氮肥厂利用氮气和氢气在有铁存在的情况下合成氨，铁是该反应的催化剂，催化剂可降低反应物的活化能，提高活化分子百分数，活化分子数目增多，提高了反应速率，故A正确；
B．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℃，压强在20～50Mpa之间，故B正确；
C．根据工业生产中，要求经济利益最大化，空气中有大量氮气，氮气来自空气廉价，氢气来自水和碳氢化合物，故C正确；
D．该反应为可逆反应，可逆反应在一定条件下达到化学反应限度时，可逆反应到达平衡状态，正逆反应速率相等，反应物不可能完全转化，故D错误；
故选D．
工业生产NH3、H2SO4过程中，有一些相似之处，它是（ ）
正确答案
解析
解：A．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，合成氨的设备为合成塔，冷凝分离设备为冷凝塔或冷凝器，从压缩机到合成塔，需热交换器对混合器进行加热，H2SO4工业使用的三个设备是沸腾炉，接触室，吸收塔，在硫酸工业生产中，为了有利于SO2的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室，故A正确；
B．工业上用氮气和氢气在高温高压催化剂的条件下合成氨，工业制硫酸铁矿石在沸腾炉中高温煅烧，二氧化硫和氧气在催化剂的作用下，加热即可，无需高压的条件，故B错误；
C．氨气用铁触媒做催化剂，制硫酸二氧化硫氧化为三氧化硫是用五氧化二钒做催化剂，故C正确；
D．NH3是将其液化分离的氮气氢气循环利用，不需要吸收装置无需吸收塔，H2SO4工业上常用98.3%的浓硫酸在吸收塔中吸收SO3，故D错误；
故选A、C．
合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义．哈伯法合成氨需要在20～50MPa的高压和500℃左右的高温下，并用铁触媒作为催化剂，氨在平衡混合物中的含量仍较少．最近英国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为 trans一Fe（DMeOPrPE）2的新催化剂，在常温下合成氨，反应方程式可表示为N2+3H2⇌2NH3．有关说法正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、哈伯法合成氨和新法合成氨都是放热反应，使用催化剂不会改变反应热，故A错误；
B、题目给出信息“在常温下合成氨”，所以不需要在高温条件下，可节约大量能源，具有发展前景，故B正确；
C、任何化学反应都涉及旧键的断裂和新键的生成，故C错误；
D、新催化剂降低了反应所需要的能量，但是不改变平衡的移动，故D错误．
故选B．
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