- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
如图是合成氨的简要流程示意图,沿X路线回去的物质是( )
正确答案
解析
解:合成氨工业中,利用氨易液化,分离出N2、H2循环使用,可使平衡向正反应方向移动,则氨气的产率增大,所以沿X路线回去的物质是N2、H2;
故选A.
(2013•成都三模)合成氨工业对国防具有重要意义,如制硝酸、合成纤维以及染料等.
(1)已知某些化学键的键能数据如下表:
合成氨的热化学反应方程式为______.
(2)常温下,向饱和NaCl与饱和氨水的混合溶液中通入过量CO2,有NaHCO3固体析出,该反应的化学方程式为______;所得溶液中离子的电荷守恒式是______;若向饱和NaCl与饱和CO2的混合溶液中通入氨气,则没有NaHCO3固体析出,原因是______.
(3)氨氮废水(含NH3、NaOH和Na2SO4)超标排放会造成水体富营养化.右图通过直接电化学氧化法有效除去某工厂氨气.其中阴离子的流动方向为______(填“向a极”或“向b极”),电解过程中,b极区的pH______(填“增大”或“减小”或“不变”),阳极反应方程式为______.
正确答案
解析
解:(1)△H=反应物总键能-生成物总键能=946KJ/mol+436KJ/mol×3-6×390KJ/mol=-86KJ/mol,
故答案为:-86KJ/mol;
(2)饱和NaCl与饱和氨水的混合溶液中通入过量CO2反应方程式为:NaCl+CO2+NH3+H2O=NaHCO3+NH4Cl;
溶液中阳离子:钠离子、氢离子、铵根离子;阴离子:氯离子、氢氧根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子,依据电荷守恒:c(Na+)+c(H+)=c(HCO3-)+c(OH-)+2×c(CO32-)+c(Cl-);二氧化碳在水中的溶解度很小,生成的碳酸氢根离子很少,所以没有碳酸氢钠析出;
故答案为:NaCl+CO2+NH3+H2O=NaHCO3+NH4Cl;c(Na+)+c(H+)=c(HCO3-)+c(OH-)+2×c(CO32-)+c(Cl-);
二氧化碳在水中的溶解度很小,生成的碳酸氢根离子很少,所以没有碳酸氢钠析出;
(3)由电源的连接方式可知,a为电解池的阳极,b为电解池的阴极,电解过程中阴离子移向阳极,阳离子移向阴极,故阴离子移向a;阳极上氨气失去电子被氧化生成氮气电极反应式为:2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O;b极(阴极)上氢离子放电发生还原反应,所以氢离子浓度减小pH值增大,
故答案为:向a极;增大;2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O.
Ⅰ、合成氨对农业生产及国防建设均具有重要意义.
(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,其他条件不变,对平衡体系产生的影响是______(填字母序号).
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: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==0.0024mol/L•min;故答案为:0.0024mol/L•min;
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==
=7.2×10-5(mol/L)2
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,其他条件不变,体积减小压强增大,反应速率增大,平衡正向进行.
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,重新平衡时减小,故D正确;
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.
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==0.0024mol/L•min;故答案为:0.0024mol/L•min;
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==
=7.2×10-5(mol/L)2
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,其他条件不变,体积减小压强增大,反应速率增大,平衡正向进行.
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,重新平衡时减小,故D正确;
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.
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:(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.
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.
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:(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+5O24NO+6H2O,
该反应的平衡常数K=,因工业合成氨反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,化学平衡常数减小,
故答案为:4NH3+5O24NO+6H2O;
;减小;
(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:=10
x=0.3
则H2转化率为 ×100%=30%
故答案为:30%.
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+5O24NO+6H2O,
该反应的平衡常数K=,因工业合成氨反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,化学平衡常数减小,
故答案为:4NH3+5O24NO+6H2O;
;减小;
(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:=10
x=0.3
则H2转化率为 ×100%=30%
故答案为:30%.
合成氨反应在解决世界70亿人口的吃饭问题上起了重要的作用,合成氨的方法有很多.
(一)方法1:合成塔中发生反应N2+3H2(g)⇌2NH3(g),下表给出了500℃条件下,某恒容密闭容器中该反应起始和平衡时各物质的浓度数据,则平衡时N2的转化率为______,该条件下反应的平衡数为______.
方法2:1998年2位希腊化学家提出了电解合成氨的新思路,采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H+)
为介质,实现了高温(570℃)常压下高转化率的电解法合成氨,装置如图1.钯电极A是电解池的______极(填“阳”或“阴”),该极上的电极反应式是______.
方法3:最新的“人工固氮”研究报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)
表面与水发生下列反应:2N2(g)+6H2O(l)⇌4NH3(g)+3O2(g)△H=a kJ/mol
进一步研究NH3生成量与温度的关系(其它条件均一样),反应3 小时,测得部分实验
数据如下表:
(1)依据上述数据,能否判断该反应是放热还是吸热反应?说出你的判断依据:______.
(2)已知N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92.4kJ•mol-1
2H2(g)+O2(g)⇌2H2O(l)△H=-571.6kJ•mol-1
求上述固氮反应的△H=______
(二)NH3的另外一个重要用途是制备HNO3,提供如图2仪器(图中铁夹、橡皮管等辅助用品已略去,多余的仪器可以不用,个别仪器可以重复使用),请你组装出一套装置,模拟工业上氨的催化氧化,并保证在仪器e中能看到红棕色气体,最终能制得HNO3.请你写出所设计方案的仪器连接循序:a→______(将所连接仪器的顺序依次填入即可).若a仪器用m d代替,则d中装入得药品为______.若a仪器用b代替,则b中用到的药品为______.
正确答案
解:(一)方法1:设平衡时N2的变化量是x,则
N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)
初始浓度:2.48 4.34 0
变化浓度:0.63 1.91 1.27
平衡浓度:1.85 2.43 1.27
衡时N2的转化率为×100%=25.4%,K=
=
=0.0608,故答案为:25.4%;0.0608;
方法2、电解池中,氢离子移向阴极,所以钯电极A是电解池的阴极,阴极发生还原反应,氮气在阴极上放电,与氢离子结合生成氨气,即N2+6e-+6H+=2NH3,
故答案为:阴;N2+6H++6e-=2NH3;
方法3:(1)温度对化学平衡移动方向的影响是:温度越高,氨气的量越大,但是没有告诉说是进行到3小时达到了平衡,故无法判断反应的吸放热情况,
故答案为:不能;因为没有给出反应进行3小时是否达到了平衡;
②已知:a、N2(g)+3H2(g)=2NH3(g);△H=-92.4kJ/mol;
b、O2(g)+2H2(g)═2H2O(l);△H=-571.6kJ/mol,则反应2N2(g)+6H2O(l)═4NH3(g)+3O2(g)等于2a-3b;
所以△H=2×(-92.4kJ/mol)-3×(-571.6kJ/mol)=+1530.0kJ/mol,
故答案为:+1530.0kJ/mol;
(二)氨的催化氧化中的氨气可以用a制备,将氨气干燥,再和空气混合在催化剂的作用下可以获得NO,和空气相遇即可得到二氧化氮,二氧化氮和水反应,即可制的硝酸溶液,所以连接顺序是a→g→f→d→e→d,加热氯化铵和氢氧化钙的混合物可以制氨气,还可以用浓氨水和碱石灰(或生石灰、或是氢氧化钠固体)来制备,若a仪器用m d代替,则d中装入得药品为浓氨水,若a仪器用b代替,则b中用到的药品为浓氨水和生石灰(碱石灰或是氢氧化钠固体),用来制取氨气,
故答案为:a→g→f→d→e→d;浓氨水;浓氨水和生石灰(碱石灰或是氢氧化钠固体).
解析
解:(一)方法1:设平衡时N2的变化量是x,则
N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)
初始浓度:2.48 4.34 0
变化浓度:0.63 1.91 1.27
平衡浓度:1.85 2.43 1.27
衡时N2的转化率为×100%=25.4%,K=
=
=0.0608,故答案为:25.4%;0.0608;
方法2、电解池中,氢离子移向阴极,所以钯电极A是电解池的阴极,阴极发生还原反应,氮气在阴极上放电,与氢离子结合生成氨气,即N2+6e-+6H+=2NH3,
故答案为:阴;N2+6H++6e-=2NH3;
方法3:(1)温度对化学平衡移动方向的影响是:温度越高,氨气的量越大,但是没有告诉说是进行到3小时达到了平衡,故无法判断反应的吸放热情况,
故答案为:不能;因为没有给出反应进行3小时是否达到了平衡;
②已知:a、N2(g)+3H2(g)=2NH3(g);△H=-92.4kJ/mol;
b、O2(g)+2H2(g)═2H2O(l);△H=-571.6kJ/mol,则反应2N2(g)+6H2O(l)═4NH3(g)+3O2(g)等于2a-3b;
所以△H=2×(-92.4kJ/mol)-3×(-571.6kJ/mol)=+1530.0kJ/mol,
故答案为:+1530.0kJ/mol;
(二)氨的催化氧化中的氨气可以用a制备,将氨气干燥,再和空气混合在催化剂的作用下可以获得NO,和空气相遇即可得到二氧化氮,二氧化氮和水反应,即可制的硝酸溶液,所以连接顺序是a→g→f→d→e→d,加热氯化铵和氢氧化钙的混合物可以制氨气,还可以用浓氨水和碱石灰(或生石灰、或是氢氧化钠固体)来制备,若a仪器用m d代替,则d中装入得药品为浓氨水,若a仪器用b代替,则b中用到的药品为浓氨水和生石灰(碱石灰或是氢氧化钠固体),用来制取氨气,
故答案为:a→g→f→d→e→d;浓氨水;浓氨水和生石灰(碱石灰或是氢氧化钠固体).
实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下:
(l)已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化钱溶液经加热后反应制取氮气,写出该反应的化学方程式:______.
(2)图中,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______.
(3)氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨______(“会”或“不会”)发生倒吸,原因是______.
(4)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,能使铂丝保持红热的原因是______.锥形瓶中还可观察到的现象是:______.
(5)写出乙装置中氨氧化的化学方程式:______.
(6)用CH4催化还原NO2可以消除氮氧化物的污染.例如.
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,
写出CH4还原NO2至N2的热化学方程式______;若用标准状况下4.48LCH4还原NO2至N2整个过程中转移的电子总数为______(阿伏加德罗常数的值用N2表示),放出的热量为______kJ.
正确答案
解:(1)根据质量守恒定律及题干信息可知,反应物是NaNO2和NH4Cl,生成物是N2和H2O和NaCl,用观察法配平即可,反应方程式为:NH4Cl+NaNO2NaCl+N2↑+2H2O,故答案为:NH4Cl+NaNO2
NaCl+N2↑+2H2O;
(2)甲装置的作用有将气体混合均匀、控制氢气和氮气的流速、干燥气体,
故答案为:干燥气体,观察气泡速度,控制氢气和氮气的流速;
(3)氨气的混合气体中含有大量的氮气和氢气,均是难溶于水的气体,不会倒吸,
故答案为:不会;混合气体中含有大量难溶于水的氮气和氢气;
(4)氨的氧化反应是一个放热反应,放出的热使铂丝保持红热,生成的一氧化氮与空气中的氧气化合成二氧化氮,二氧化氮是红棕色气体,故答案为:氨的氧化反应是一个放热反应,放出的热使铂丝保持红热;有红棕色气体产生;
(5)氨的催化氧化反应方程式为:4NH3+5O24NO+6H2O,故答案为:4NH3+5O2
4NO+6H2O;
(6)已知①CH4(g)+4N02(g)═4NO(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-574kJ•mol-1,
②CH4(g)+4N0(g)═2N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-1160kJ•mol-1,
则反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)等于(①+②),
根据盖斯定律,所以反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=[(-574kJ•mol-1)+(-1160kJ•mol-1)]=-867KJ/mol,反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)中,1mol甲烷参加反应转移电子数为8mol,所以标准状况下4.48L极0.2molCH4还原NO2至N2整个过程中转移的电子为1.6mol,电子总数为1.6NA,当转移8mol电子,放出的能量为867KJ,所以转移1.6mol电子放出的能量为173.4KJ,
故答案为:CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-867KJ/mol;1.6NA;173.4.
解析
解:(1)根据质量守恒定律及题干信息可知,反应物是NaNO2和NH4Cl,生成物是N2和H2O和NaCl,用观察法配平即可,反应方程式为:NH4Cl+NaNO2NaCl+N2↑+2H2O,故答案为:NH4Cl+NaNO2
NaCl+N2↑+2H2O;
(2)甲装置的作用有将气体混合均匀、控制氢气和氮气的流速、干燥气体,
故答案为:干燥气体,观察气泡速度,控制氢气和氮气的流速;
(3)氨气的混合气体中含有大量的氮气和氢气,均是难溶于水的气体,不会倒吸,
故答案为:不会;混合气体中含有大量难溶于水的氮气和氢气;
(4)氨的氧化反应是一个放热反应,放出的热使铂丝保持红热,生成的一氧化氮与空气中的氧气化合成二氧化氮,二氧化氮是红棕色气体,故答案为:氨的氧化反应是一个放热反应,放出的热使铂丝保持红热;有红棕色气体产生;
(5)氨的催化氧化反应方程式为:4NH3+5O24NO+6H2O,故答案为:4NH3+5O2
4NO+6H2O;
(6)已知①CH4(g)+4N02(g)═4NO(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-574kJ•mol-1,
②CH4(g)+4N0(g)═2N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-1160kJ•mol-1,
则反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)等于(①+②),
根据盖斯定律,所以反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=[(-574kJ•mol-1)+(-1160kJ•mol-1)]=-867KJ/mol,反应CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)中,1mol甲烷参加反应转移电子数为8mol,所以标准状况下4.48L极0.2molCH4还原NO2至N2整个过程中转移的电子为1.6mol,电子总数为1.6NA,当转移8mol电子,放出的能量为867KJ,所以转移1.6mol电子放出的能量为173.4KJ,
故答案为:CH4(g)+2N02(g)═N2(g)+C02(g)+2H20(g)△H=-867KJ/mol;1.6NA;173.4.
[选修2-化学与技术]合成氨的流程示意图如下:
回答下列问题:
(1)设备A中含有电加热器,触媒和热交换器,其中发生的化学反应方程式为______,设备A的名称是______;
(2)设备B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是______;
(3)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______,______;
(4)天然气、重油、煤都可以与水反应制得氢气.下表是某合成氨厂采用不同原料的相对投资和能量消耗.
①依据上表信息,你认为采用______为原料最好;
②请写出甲烷在高温、催化剂的作用下与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳的化学方程式:______;
③已知C(s)、CO(g)和H2(g)完全燃烧的热化学方程式分别为:
C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394kJ/mol;
2CO2(g)+O2(g)═CO2(g)△H=-566kJ/mol;
2H2(g)+O2(g)═2H2O(g)△H=-484kJ/mol;
试写出由C与水蒸气在高温条件下反应生成氢气与一氧化碳的热化学方程式______;
(5)在合成氨生产中,将生成的氨及时从反应后的气体中分离出来.运用化学平衡的知识分析这样做的理由:______.
正确答案
解:(1)合成氨工业流程:原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离,冷凝分离氨气的设备为冷却塔;设备A中含有电加热器,触媒和热交换器,说明发生的化学反应方程式为:N2+3H22NH3,设备A的作用是能将氮气和氢气反应,所以设备A的名称是合成塔,
故答案为:N2+3H22NH3;合成塔;
(2)为了增强冷却效果,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好,所以入水口为n,故答案为:n;高温气体从冷却塔的上端进入,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好;
(3)将液氨和未反应的原料分离,利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低,先将空气加压降温变成液态,然后再加热,使氮气首先从液态空气中蒸发出来,留下的就是液态氧气.故分离方法是液化和分馏,故答案为:液化;分馏;
(4)①根据合成氨厂采用不同原料的相对投资和能量消耗表,天然气相对投资费用1.0,能量消耗28109J•t-1,天然气相对投资费用1.5,能量消耗28109×1.5J•t-1,天然气相对投资费用2.0,能量消耗2×28109J•t-1,相对于重油和煤,天然气为原料最好,故答案为:天然气;
②甲烷在高温、催化剂的作用下与水蒸气反应;生成氢气和一氧化碳,根据题干中提供的反应物和生成物,再根据质量守恒,即可得出CH4+H2OCO+3H2,
故答案为:CH4+H2OCO+3H2;
③C(s)、CO(g)和H2(g)完全燃烧的热化学方程式分别为:
C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394kJ/mol;A
2CO(g)+O2(g)═2CO2(g)△H=-566kJ/mol;B
2H2(g)+O2(g)═2H2O(g)△H=-484kJ/mol;C
将ABC三式作如下变换,A-C-
B可得C(S)+H2O(g)
CO(g)+H2(g) △H=+131KJ/mol,
故答案为:C(S)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131KJ/mol;
(5)N2+3H22NH3,该反应为可逆反应,从化学平衡移动的角度考虑,减少生成物的浓度,化学平衡向正反应方向移动,
故答案为:移走氨气,减小生成物浓度,平衡右移,有利于氨合成.
解析
解:(1)合成氨工业流程:原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离,冷凝分离氨气的设备为冷却塔;设备A中含有电加热器,触媒和热交换器,说明发生的化学反应方程式为:N2+3H22NH3,设备A的作用是能将氮气和氢气反应,所以设备A的名称是合成塔,
故答案为:N2+3H22NH3;合成塔;
(2)为了增强冷却效果,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好,所以入水口为n,故答案为:n;高温气体从冷却塔的上端进入,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好;
(3)将液氨和未反应的原料分离,利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低,先将空气加压降温变成液态,然后再加热,使氮气首先从液态空气中蒸发出来,留下的就是液态氧气.故分离方法是液化和分馏,故答案为:液化;分馏;
(4)①根据合成氨厂采用不同原料的相对投资和能量消耗表,天然气相对投资费用1.0,能量消耗28109J•t-1,天然气相对投资费用1.5,能量消耗28109×1.5J•t-1,天然气相对投资费用2.0,能量消耗2×28109J•t-1,相对于重油和煤,天然气为原料最好,故答案为:天然气;
②甲烷在高温、催化剂的作用下与水蒸气反应;生成氢气和一氧化碳,根据题干中提供的反应物和生成物,再根据质量守恒,即可得出CH4+H2OCO+3H2,
故答案为:CH4+H2OCO+3H2;
③C(s)、CO(g)和H2(g)完全燃烧的热化学方程式分别为:
C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394kJ/mol;A
2CO(g)+O2(g)═2CO2(g)△H=-566kJ/mol;B
2H2(g)+O2(g)═2H2O(g)△H=-484kJ/mol;C
将ABC三式作如下变换,A-C-
B可得C(S)+H2O(g)
CO(g)+H2(g) △H=+131KJ/mol,
故答案为:C(S)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131KJ/mol;
(5)N2+3H22NH3,该反应为可逆反应,从化学平衡移动的角度考虑,减少生成物的浓度,化学平衡向正反应方向移动,
故答案为:移走氨气,减小生成物浓度,平衡右移,有利于氨合成.
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:(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+3H22NH3,采用逆流的方式冷却效果好,所以冷水从n处进入,
故答案为:N2+3H22NH3;n;
(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==
=0.627,所以b:a=5.9,所以起始物中c(H2O):c(CO)不低于5.9,
故答案为:5.9.
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+3H22NH3,采用逆流的方式冷却效果好,所以冷水从n处进入,
故答案为:N2+3H22NH3;n;
(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==
=0.627,所以b:a=5.9,所以起始物中c(H2O):c(CO)不低于5.9,
故答案为:5.9.
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
解:(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+H2OCO+H2,甲烷与水反应的方程式为CH4+H2O
CO+3H2,
故答案为:液化、分馏;与碳反应后除去CO2;C+H2OCO+H2;CH4+H2O
CO+3H2;
(2)合成氨的设备为合成塔,发生N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),
故答案为:合成(氨)塔;N2(g)+3H2(g) 2NH3(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:=0.627,
解得:=13.8.故此只要此值大于13.8,转化率就会超过90%.
故答案为:13.8.
解析
解:(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+H2OCO+H2,甲烷与水反应的方程式为CH4+H2O
CO+3H2,
故答案为:液化、分馏;与碳反应后除去CO2;C+H2OCO+H2;CH4+H2O
CO+3H2;
(2)合成氨的设备为合成塔,发生N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),
故答案为:合成(氨)塔;N2(g)+3H2(g) 2NH3(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:=0.627,
解得:=13.8.故此只要此值大于13.8,转化率就会超过90%.
故答案为:13.8.
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