- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
氨气是中学化学中常见的气体，其用途广泛．
（1）实验室制取氨气的化学方程式是______．
（2）工业上氨气可以由氢气和氮气合成如图1所示．
①该反应的热化学方程式是______．
②随着温度的升高，该反应的化学平衡常数的变化趋势是______．
③简述一种检查氨气是否泄露可采用的化学方法：______．
（3）工业制硫酸的尾气中含较多的SO2，为防止污染空气，回收利用SO2，工业上常用氨水吸收法处理尾气．
①当氨水中所含氨的物质的量为3mol，吸收标准状况下44.8L SO2时，溶液中的溶质为______．
②（NH4）2SO3显碱性，用化学平衡原理解释______．
（4）氨气是一种富氢燃料，可以直接用于燃料电池，如图2是供氨水式燃料电池工作原理：
①氨气燃料电池的电解质溶液最好选择______（填“酸性”、“碱性”或“中性”）溶液．
②空气在进入电池装置前需要通过过滤器除去的气体是______．
③氨气燃料电池的反应是氨气与氧气生成一种常见的无毒气体和水，该电池的电极总反应是______，正极的电极反应式是______．
正确答案
解析
解：（1）实验室制取氨气的化学方程式：2NH4Cl+Ca（OH）2
（2）①△H=反应物键能和-生成物键能和=945KJ/mol+3×436KJ/mol-6×391.06KJ/mol=-93.36 kJ/mol，所以，其热化学方程式为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-93.36 kJ/mol，故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-93.36 kJ/mol；
②计算可知反应是放热反应，升温，平衡逆向进行，平衡常数减小；
故答案为：减小；
③氨气和HCl反应产生白烟，并且显碱性，所以，检查氨气是否泄露可采用的化学方法有：将湿润的红色石蕊试纸接近容器，观察试纸是否变蓝，如果变蓝说明有氨气泄露（或蘸取浓盐酸接近容器，观察是否有白烟生成，如果有白烟生成说明管道泄露）；
故答案为：将湿润的红色石蕊试纸接近容器，观察试纸是否变蓝，如果变蓝说明有氨气泄露（或蘸取浓盐酸接近容器，观察是否有白烟生成，如果有白烟生成说明管道泄露）；
（3）①氨的物质的量为3mol，吸收标准状况下44.8L SO2时．N原子3mol，S原子2mol，据原子守恒，在（NH4）2SO3中，其原子个数比N：S=2：1，在中，NH4HSO3，其原子个数比N：S=1：1，所以，生成物有（NH4）2SO3和NH4HSO3，故答案为：（NH4）2SO3和NH4HSO3；
②（NH4）2SO3溶液中，铵根和亚硫酸根都会水解，（NH4）2SO3显碱性说明，NH4++H2O⇌NH3•H2O+H+SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-，SO32-水解程度大于NH4+ 的水解程度使溶液中c（OH-）＞c（H+），溶液呈碱性，
故答案为：NH4++H2O⇌NH3•H2O+H+SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-，SO32-水解程度大于NH4+ 的水解程度使溶液中c（OH-）＞c（H+），溶液呈碱性；
（4）①氨气是碱性气体，所以电解液最好选择碱性的，故答案为：碱性；
②空气中的CO2能和氨水反应，所以，滤去的气体是CO2，故答案为：CO2；
③生成的无毒气体时N2，据此书写化学方程式为：4NH3+3O2=2N2+6H2O，正极发生氧化反应，氧气在正极反应，注意时碱性环境，所以，正极的电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案为：4NH3+3O2=2N2+6H2O；O2+4e-+2H2O=4OH-．
下列有关生产生活涉及的操作和原理说法正确的是（ ）
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、铁钉镀锌，将锌与电源正极相连，铁和负极相连，电镀过程需要控制电流强度、溶液pH等条件，故B错误；
C、作原电池负极的金属加速被腐蚀，作原电池正极的金属被保护，海轮外壳绑上锌板，锌、铁和海水构成原电池，锌作负极，铁作正极被保护，该保护方法为牺牲阳极的阴极保护法，故C正确；
D、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D错误．
故选C．
实验室合成氨装置如图：
试回答：
（1）装置甲的作用是：①______，②______，
（2）从丙导出的气体是______，
（3）乙中发生的反应方程式为______，
（4）检验产物的简单化学方法是______．
正确答案
干燥气体
使N2和H2充分混合（或观察气泡以调节氢气、氮气流速）
NH3、N2、H2
N2+2H2
用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近丙的导管口，有白烟生成，说明有NH3生成（或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成）
解析
解：（1）装置甲的作用有：①浓硫酸具有吸水性，能够干燥气体，②混合气体通过浓硫酸后使N2和H2充分混合，③通过观察气泡，可以调节氢气、氮气流速，
故答案为：干燥气体；使N2和H2充分混合（或观察气泡以调节氢气、氮气流速）；
（2）由于氮气与氢气的反应为可逆反应，所以从丙中导出的气体为NH3、N2、H2的混合气体，
故答案为：NH3、N2、H2；
（3）氮气和氢气在高温、高压、催化剂条件下反应生成氨气，反应的化学方程式为：N2+2H2
故答案为：N2+2H2
（4）检验氨气的方法可以为：蘸有浓盐酸的玻璃棒放在导管口，有白烟说明有氨气生成，或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成，
用蘸有浓HCl的玻璃棒靠近丙的导管口，有白烟生成，说明有NH3生成，
故答案为：用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近丙的导管口，有白烟生成，说明有NH3生成（或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成）．
在编号为i-v的反应器中发生如下反应：
A．CH4+202=CO2+2H20
B．CH4+H20（g）=CO+3H2
C．2CH4+3H20（g）=CO+CO2+7H2
D．K2C03+C02+H20=2KHC03
E．C0+H20（g）⇌CO2+H2△H＜0
F．2H2+O2=2H20
（1）反应A发牛在编号为______的反应器中，它的作用是______
（2）反应F发生在编号为______的反应器中．
（3）反应D的作用是______
（4）属于制备合成氨原料气的反应有______（填化学方程式编号）．
（5）为什么转化反应要分两步，第一步在400℃时进行，第二步在200℃时进行？______．
正确答案
解析
解：（1）甲烷在装置ⅰ中燃烧放出热量，为反应C提供热量，故答案为：ⅰ；该反应放出的热量使反应C在800℃下进行；
（2）氢气在ⅱ中燃烧为CO与H20（g）反应生成C02和H2，为放热反应，提供能量，故答案为：ⅱ；
（3）利用碳酸氢钾溶液吸收混合气体中的二氧化碳，故答案为：吸收混合气体中的二氧化碳；
（4）BCE三个反应中生成的氢气为合成氨的原料，故答案为：BCE；
（5）E反应是一个放热的反应，从反应限度角度考虑：因该反应是放热反应，故在200℃时有利于提高CO的转化率；从速率角度考虑：400℃时能加快反应E的速率，缩短达到平衡所需要的时间，所以转化反应要分两步，第一步在400℃时进行，第二步在200℃时进行，
故答案为：400℃时能加快反应E的速率，缩短达到平衡所需要的时间；又因该反应是放热反应，故在200℃时有利于提高CO的转化率．
工业生产硝酸铵的流程图如下图．请回答：
（1）已知：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92kJ•mol-1．
①在500℃、2.02×107Pa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
（2）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）．
（3）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，请计算此时H2的转化率（写出计算过程）：______．
正确答案
解析
解：（1）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，则在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，
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；
（2）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=
故答案为：4NH3+5O2
（3）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%．
实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：
已知实验室可用饱和亚硝酸钠（NaNO2）溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气．
（1）从图中选择制取氮气的合适装置：______（填编号）
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用：①______②______③______
（3）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，能说明反应发生的现象是______，乙装置中的CCl4的作用是______．
（4）反应结束后锥形瓶内的溶液中含有的离子有：H+、OH-、______、______．
正确答案
a
干燥气体
控制氢气和氮气的流速
混合气体
出现红棕色气体
防止倒吸
NH4+
NO3-
解析
解：（1）实验室可用饱和亚硝酸钠（NaNO2）溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气，是溶液与溶液反应，可以选择a，故答案为：a；
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置中的浓硫酸可以将氮气和氢气干燥，同时可以根据甲装置中冒气泡的速率来控制气体流量，混合气体，
故答案为：干燥气体；控制氢气和氮气的流速；混合气体；
（3）根据反应物的性质进行分析，氨的催化氧化生成一氧化氮和水，氨的催化氧化反应为：4NH3+5O2
（4）氨的催化氧化反应产物是一氧化氮和水，一氧化氮极易与空气中的氧气变为二氧化氮，二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，所以硝酸的存在会和氨水反应生成硝酸铵，溶液中会存在H+、OH-、NH4+、NO3-，故答案为：NH4+；NO3-．
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，减小氨气的浓度会导致正化学反应速率减慢，化学平衡向右移动，提高N2、H2的转化率，故A正确；
B、MgO比MgCl2熔点高，电解MgO比电解MgCl2的电能多，浪费资源，所以工业上通过电解熔融氯化镁获得金属镁，故B错误；
C、电解精炼铜时，在阳极上是金属锌、铁、镍先失去电子，在阴极上是铜离子得电子生成金属Cu的过程，同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小，溶液中铜离子浓度减小，故C正确；
D、电解饱和食盐水时，在阴极上产生的是氢气和氢氧化钠，在阳极上产生的是氯气，采用离子交换膜法，可防止阳极室产生的C12进入阴极室，故D错误；
故选AC．
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，提高N2、H2的转化率，但是会减慢反应速率，故A错误；
B、联合制碱法原是向氨化的饱和氯化钠溶液中通入足量的二氧化碳，使溶解度较小的碳酸氢钠从溶液中析出，其反应的化学方程式为：NaCl+CO2+NH3+H2O═NH4Cl+NaHCO3，故B正确；
C、硫酸工业中，在接触室安装热交换器是为了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，SO3转化为H2SO4是在后面的吸收塔中进行的，故C错误；
D、电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法，可以防止阴极室产生的氢氧化钠、氢气和阳极室生成的Cl2混合，故D错误．
故选B．
氨气是一种重要的化工产品，工业上可以按照下图所示流程生产氨气：
（1）原料气之一氮气的工业制取方法是______，写出氨气的工业用途（任答一点）______．
（2）写出合成塔中发生的反应的化学反应方程式______．
在冷却塔中对混合气体进行冷却，冷水的入口______（答m或n）．
（3）设备C的作用______．
其分离器中的过程对整个工业合成氨的意义______．（试结合平衡移动原理回答）
（4）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80%，则起始物中c（H2O）：c（CO）不低于______（精确到小数点后一位）．
正确答案
解析
解：（1）空气中的近五分四的是氮气，所以工业上用分离液态空气的方法得到氮气，氨气可以作制冷剂或制硝酸可制氮肥，
故答案为：分离液态空气；作制冷剂或制硝酸可制氮肥；
（2）工业合成氨中合成塔中的反应为氮气和氢气在高温高压条件下生成氨气，反应方程式为N2+3H2
故答案为：N2+3H2
（3）设备C是分离塔，将生成的液态氨气与未反应的原料气分离，氨气不断被液化分离，减小氨气的浓度，促使平衡不断正向移动，提高原料的利用率，
故答案为：将生成的液态氨气与未反应的原料气分离；氨气不断被液化分离，减小氨气的浓度，促使平衡不断正向移动，提高原料的利用率；
（4）设开始CO为amol/L，H2O为bmol/L，
CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g），
a b
0.2a b-0.8a 0.8a 0.8a
根据K=
故答案为：5.9．
硝酸是一种重要的工业原料，工业制硝酸的关键是氨的催化氧化，与硝酸工业相关的过程中产生的氮氧化物的处理与应用也是科学研究的热点．I．甲、乙分别是实验室模拟合成氨及氨催化氧化的装置
（1）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有控制气体流速、______．
（2）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，铂丝保
持红热的原因是______，写出乙装置中氨氧化的化学方程式______．反应结束后锥形瓶内的溶
液中含有H+、OH-、______、______ 离子．
II．工业生产硝酸的尾气中含有氮氧化物NOx（NO和NO2的混合物，假设不含N2O4），对生态环境和人类健康带来较大的威胁．
（1）工业上常用Na2CO3溶液吸收法处理NOx．
已知：NO不能与Na2CO3溶液反应
①NO+NO2+Na2CO3=2NaNO2+CO2
②2NO2+Na2CO3=NaNO2+NaNO3+CO2
当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，x的值不可能是______ （填字母）．
A．1.3 B．1.6 C．1.8
（2）尿素也可用于吸收处理NOx，其反应原理为：
NO+NO2+H2O=2HNO2
2HNO2+CO（NH2）2=2N2↑+CO2↑+3H2O．
当混合气体中NO、NO2按上述反应中系数比时吸收效果最佳．若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可通入一定量的空气，同温同压下，V（空气）：V（NO）=______ （空气中氧气的体积含量约为20%）．
正确答案
解析
解：I．（1）浓硫酸具有吸水性，可用于干燥气体，故答案为：干燥混合气体；
（2）氨气在被氧化生成NO，为放热反应，反应的方程式为4NH3+5O2
故答案为：反应为放热反应；4NH3+5O2
Ⅱ．（1）当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，则n（NO2）≥n（NO），NO含量越少，x值越小，而（NO2）=n（NO），x值最小，x=
故选A；
（2）若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可设NO为5mol，NO2为1mol，为使气体被完全吸收，应满足NO为3mol，NO2为3mol，则需反应2molNO生成NO2，
由方程式2NO+O2=2NO2可知，需要1molO2，又空气中氧气的体积含量约为20%，则需要5mol空气，
所以V（空气）：V（NO）=5：5=1：1，
故答案为：1：1．
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