- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一．课本里介绍的合成氨技术叫哈伯法，是德国人哈伯在1905年发明的，其合成原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H＜0他因此获得了1918年诺贝尔化学奖．工业上合成氨的部分工艺流程如图1：
反应体系中各组分的部分性质见下表：
（1）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程．即反应后通过把混合气体的温度降低到______使混合气体分离出来产品；继续循环的气体是______．写出该反应的化学平衡常数表达式：K=______．
（2）运用化学反应速率和化学平衡的观点说明工业上采取用上述实际生产措施的理由：______．
（3）已知拆开1molH-H键，1molN-H键，1molN≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为______．
（4）合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义．对于密闭容器中的反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），673K，30MPa下n（NH3）和n（H2）随时间变化的关系如图2所示．下列叙述正确的是______
A．点a的正反应速率比点b的大
B．点 c处反应达到平衡
C．点d（t1时刻） 和点 e （t2时刻） 处n（N2）不一样
D．其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n（H2）比图2中d点的值大
（5）1998年希腊亚里斯多德大学的Marmellos和Stoukides采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+），实现了高温常压下高转化率的电化学合成氨．其实验装置如图3．阴极的电极反应式______．
正确答案
解析
解：（1）氨气的沸点是-33.42，可以将温度降低到-33.42，氨气液化，转变成液体分离出来，氢气和氮气可以再循环利用，平衡常数表达式为：
（2）生成物的浓度减少，平衡正向移动，所以及时分离出氨气，平衡正向移动，提高氨气的产率；循环利用氮气和氢气，提高氮气和氢气的转化率，
故答案为：及时分离出氨气，平衡正向移动，提高氨气的产率，且循环利用氮气和氢气，提高氮气和氢气的转化率；
（3）拆开1mol H-H键，1mol N-H键，1mol N≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ，化学方程式为N2+3H2⇌2NH3，依据化学方程式计算反应热为946kJ/mol+3×436kJ/mol-6×391kJ/mol=-92KJ/mol，反应的热化学方程式为N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92 kJ•mol-1，
故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92 kJ•mol-1；
（4）A、随着反应的进行，反应物的浓度之间减小，反应速率逐渐减小，则a点的正反应速率比b点大，故A正确；
B、c点反应物和生成物物质的量仍在变化，没有达到平衡状态，故B错误；
C、d点和e点都处于平衡状态，n（N2）不变，d点和e点n（N2）相等，故C错误；
D、该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，所以平衡时氢气的物质的量比d点的值大，故D正确；
故答案为：AD；
（5）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，电极反应式为N2+6e-+6H+=2NH3，故答案为：N2+6e-+6H+=2NH3
随着世界粮食需求量的增加，农业对化学肥料的需求越来越大．氮肥是需求最大的一种化肥．氮肥的生产和合理施用在农业生产中起着重大作用．合成氨及化肥生产流程示意图如下：
（1）目前，工业上用铁触媒作催化剂，在20～50MPa、450℃左右用氮、氢混合气体在______中进行合成氨．则沿X方向回去的物质是______．
（2）在侯氏制碱法中，从沉淀池中得到的母液要通人氨气、降温并加入______（填化学式），目的是______．
（3）沉淀池中的化学方程式是______．
（4）工业上将氨催化氧化可制硝酸．在硝酸生产中，催化剂铂网在氨的催化氧化反应中起的作用是______．硝酸工业尾气对环境污染严重，若在催化剂存在下用甲烷将其中的一氧化氮还原为对空气无污染的物质，其反应的化学方程式为______．
正确答案
合成塔
H2、N2
NaCl
使氯化铵逐步从母液中结晶析出
NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓
加快反应速率同时决定了氧化产物是一氧化氮
CH4+4NO
解析
解：（1）氮气和氢气的反应在合成塔中进行，因为合成氨反应为可逆反应，反应后化合物中含有一定量的氮气和氢气，分离后再作为原料进行循环利用．
故答案为：合成塔； H2、N2；
（2）加入氯化钠，利用同离子效应，降低氯化铵的溶解度，使氯化铵结晶析出．
故答案为：NaCl；使氯化铵逐步从母液中结晶析出；
（3）根据流程图和题目所给信息，可知反应物有NH3、CO2、H2O、NaCl，产物为NH4Cl 和 NaHCO3，进而可写出化学方程式NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓．故答案为：NH3+CO2+H2O+NaCl═NH4Cl+NaHCO3↓；
（4）催化剂的作用为加快化学反应速率，同时生成NO；根据化合价的变化，甲烷将其中的一氧化氮还原为对空气无污染的物质，生成N2、CO2、H2O，配平可得化学方程式CH4+4NO
工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），△H=-92.44kJ/mol；其部分工艺流程如下：
反应体系中各组分的部分性质见下表：
回答下列问题：
（1）写出该反应的化学平衡常数表达式：K=______．随着温度的升高，K值______（填增大、减小、不变）．
（2）平衡常数K值越大，表明______（填序号）．
A．N2的转化率越高 B．NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高 D．化学反应速率越快
（3）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程．即反应后通过把混合气体的温度降低到______使______分离出来；继续循环的气体是______．
正确答案
解析
解：（1）平衡常数K=
（2）平衡常数K值越大，说明化学方应向右进行的彻底，反应物的转化率越高，生成物NH3的产率越大，故选AB；
（3）根据题意可知氨气的沸点是-33.42，可以将温度降低到-33.42，让氨气分离出来，氢气和氮气可以再循环利用，故答案为：-33.42；NH3；N2、H2．
化学无处不在，下列与化学有关的说法不正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A．侯氏制碱法是将CO2、NH3通入饱和NaCl溶液中，发生以下反应：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3；NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓，其中NaHCO3溶解度最小，故有NaHCO3的晶体析出，故A正确；
B．漂白粉的主要成分为次氯酸钙、氯化钙，氢氧化钙与氯气反应生成氯化钙、次氯酸钙和水，所以工业上以氯气和石灰乳为原料制备漂白粉，故B正确；
C．单质硅可以制造制造计算机芯片，SiO2可以制造光导纤维，故C错误；
D．高压钠灯发出的光为黄色，黄色光的射程远，透雾能力强，故D正确；
故选C．
为了综合利用副产品CaSO4，某化工厂与相邻的合成氨厂联合设计了下列（NH4）2SO4生产流程：请回答以下问题：
（1）合成氨反应的化学方程式是______，该反应在______（填设备名）中发生，反应所用催化剂一般用______．
（2）沉淀池中发生的主要反应方程式是______，该反应能够发生的原因是______．
（3）在上述流程中可以循环使用的物质是______，该生产过程中的副产品是______．
（4）从绿色化学和资源综合利用的角度说明上述流程的主要优点是______．
正确答案
解析
解：（1）工业合成氨的反应原理为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2 
（2）将NH3和CO2通入沉淀池中并加入CaSO4，由于生成的CaCO3溶解度小于CaSO4有利于反应向正向进行，则反应生成（NH4）2SO4和CaCO3，反应的化学方程式为：CaSO4+CO2+2NH3+H2O=CaCO3↓+（NH4）2SO4，
故答案为：CaSO4+CO2+2NH3+H2O=CaCO3↓+（NH4）2SO4；生成的CaCO3溶解度小于CaSO4有利于反应向正向进行；
（3）CaCO3在煅烧炉中分解生成CO2和CaO，CO2可循环使用，副产品为生石灰，
故答案为：CO2；生石灰；
（4）根据反应流程离子，该反应的有点为：生成的CO2可循环使用，CaO可制备硫酸钙，没有废物生成，
故答案为：该流程中产生的CO2循环使用，得到的产品和副产品都是有用的物质，无废物产生．
以合成氨为核心的氨化学工业，推动了农业、军事等各方面技术的革新，是20世纪化学带给人类的最重要的贡献之一，其中以氨气为原料制备硝酸的过程如下：
（1）工业合成氨气利用的反应是______；
（2）工业上用氨气制取NO的化学方程式：______
某小组计划在中学实验室模拟上述反应过程的某些环节，请你协助他们解决以下问题：
（3）实验室用氯化铵和______反应，制取少量的氨气，该过程的化学应方程式为：______．
正确答案
解析
（1）利用N2和H2合成氨气的反应方程式为N2+3H2
（2）工业上用氨气的催化氧化制取NO，反应方程式为：4NH3+5O2
（3）实验室利用消石灰和氯化铵混合加热制氨气的反应方程式为Ca（OH）2+2NH4Cl
故答案为：氢氧化钙（或消石灰）；Ca（OH）2+2NH4Cl
氨气作为一种重要的化工原料，主要用于生产氮肥、硝酸、纯碱、尿素等化工产品．下图是合成氨，并联合生产硝酸、纯碱、尿素的简要流程示意图：
反应体系中各组分的部分性质见下表：
（1）设备A的名称是______，副产物B的化学式是______．
（2）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程．即反应后通过把混合气体的温度至少降低到______℃（填具体温度），使______分离出来，循环使用的气体有______．
（3）已知尿素的结构简式为
（4）用一个化学方程式表示过程③和④中的总反应过程______．
（5）已知：4NH3+3O2
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气在合成塔中反应生成氨气；根据反应NaCl+NH3+CO2+H2O═NaHCO3↓+NH4Cl，可知副产物B为NH4Cl，故答案为：合成塔；NH4Cl；
（2）由于氨易液化，反应后通过把混合气体的温度至少降低到-33℃，分离出氨气，通过N2、H2的循环使用，大大提高了氨的产率，故答案为：-33；H2、N2；
（3）根据质量守恒，可知氨气和二氧化碳反应生成尿素和水，反应的化学方程式为2NH3+CO2═
（4）根据质量守恒，可知氨气、二氧化碳、NaCl和水反应生成小苏打和氯化铵，故③和④中的总反应过程为NaCl+NH3+CO2+H2O═NaHCO3↓+NH4Cl，
故答案为：NaCl+NH3+CO2+H2O═NaHCO3↓+NH4Cl；
（5）氨是燃料电池的负极，在碱性条件下，氨气与氢氧根反应生成氮气和水，氨气中氮的化合价由-3价升高到0价，2mol氨气失去6mol电子，电极反应式为2NH3+6OH--6e-═6H2O+N2，故答案为：2NH3+6OH--6e-═6H2O+N2．
（2014•萨尔图区校级模拟）以天然气、焦炭、水、空气为初始原料，可以制得若干化工产品：
请回答下列问题：
（1）合成氨中原料气体N2来源于空气，可采用将空气______和______两种方法，H2可采用上述反应①，其化学方程式为______．
（2）对于合成氨N2+3H2
（3）制取NH4NO3时，NH3的用途有两种，制HNO3的量大于与HNO3反应的量的原因______．
（4）发生反应⑤的化学方程式为______．
（5）发生反应③生成C8H18的化学方程式为______．
正确答案
深冷分离
氧燃烧
CH4+2H2O
制H2的成本高于制N2，为了提高H2的转化率，可以提高N2的加入量
冷却使NH3液化
NH3转化为HNO3的过程中，发生3NO2+H2O═2HNO3+NO及各步反应有损失，用于制HNO3的NH3量应较大
CO2+2NH3
8CO+17H2
解析
解：（1）工业上制取氮气常采用物理方法，即液化空气法，又称深冷分离，采用的化学方法可以是消耗掉空气中的氧气，即燃烧法，采用反应①制取氢气，即甲烷与水在高温催化剂的条件下生成氢气，甲烷燃烧产物可以为二氧化碳，故答案为：深冷分离；氧燃烧；CH4+2H2O
（2）由于制H2的成本高于制N2，所以为了提高H2的转化率，可以提高N2的加入量，及时分离NH3的方法是：冷却使NH3液化，
故答案为：制H2的成本高于制N2，为了提高H2的转化率，可以提高N2的加入量；冷却使NH3液化；
（3）由于NH3转化为HNO3的过程中，发生3NO2+H2O═2HNO3+NO反应以及在各步反应中氨气均有损失，故用于制HNO3的NH3量应较大，故答案为：NH3转化为HNO3的过程中，发生3NO2+H2O═2HNO3+NO及各步反应有损失，用于制HNO3的NH3量应较大；
（4）二氧化碳与氨气反应生成尿素与水，反应方程式为：CO2+2NH3
（5）一氧化碳与氢气反应生成辛烷和水，条件是在Co的催化作用下，温度在443K与473K之间，故答案为：8CO+17H2
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：
完成下列问题：
Ⅰ．合成氨
（1）写出装置①中发生反应的化学方程式：______．
（2）已知在一定的温度下进入装置①的氮、氢混合气体与从合成塔出来的混合气体压强之比为5：4，则氮的转化率为______．
Ⅱ．氨的接触氧化原理
（3）在900℃装置②中反应有：
4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）；△H=-905.5kJ•mol-1 K1=1×1053 （900℃）
4NH3（g）+4O2（g）⇌4N2O（g）+6H2O（g）；△H=-1103kJ•mol-1 K2=1×1061 （900℃）
4NH3（g）+3O2（g）⇌2N2（g）+6H2O（g）；△H=-1267kJ•mol-1 K3=1×1067 （900℃）
除了上列反应外，氨和一氧化氮相互作用：
4NH3（g）+6NO（g）⇌5N2（g）+6H2O（g）；△H=-1804kJ•mol-1，还可能发生氨、一氧化氮的分解．
完成热化学方程式：2NO（g）⇌N2（g）+O2（g）；△H=______．
（4）铂-铑合金催化剂的催化机理为离解和结合两过程，如图所示：
由于铂对NO和水分子的吸附力较小，有利于氮与氧原子结合，使得NO和水分子在铂表面脱附，进入气相中．若没有使用铂-铑合金催化剂，氨氧化结果将主要生成______．说明催化剂对反应有______．
（5）温度对一氧化氮产率的影响
当温度大于900℃时，NO的产率下降的原因______（选填序号）
A．促进了一氧化氮的分解
B．促进了氨的分解
C．使氨和一氧化氮的反应平衡移动，生成更多N2
（6）硝酸工业的尾气常用Na2CO3溶液处理，尾气的NO、NO2可全部被吸收，写出用Na2CO3溶液吸收的反应方程式______．
正确答案
解析
解：（1）氮气的氢气在催化剂、加热加压的条件下生成氨气的反应为：N2+3H2 
（2）解：设消耗的氮气的量是x，则N2 +3H2 
初始物质的量 1 3 0
变化的物质的量 x 3x 2x
平衡时的物质的量 1-x 3-3x 2x
氮、氢混合气体与从合成塔出来的混合气体压强之比为5：4，即氮、氢混合气体的物质的量之和与从合成塔出来的混合气体的物质的量之和的比为5：4，所以
（3）根据已知反应可得：①2NO（g）+3H2O（g）⇌2NH3（g）+
②2NH3（g）+
反应2NO（g）⇌N2（g）+O2（g）可以看成是①+②的结果，所以△H=-633.5kJ•mol-1+452.75kJ•mol-1=-180.75 kJ•mol-1，故答案为：-180.75 kJ•mol-1；
（4）若没有使用铂-铑合金催化剂，氢气会和氧气反应，使得氮气和氢气不能反应，说明催化剂具有选择性，故答案为：氮气和水蒸气；选择性；
（5）由图象可知在温度较低时生成氮气．温度高于900℃时，NO产率下降是因为反应4NH3+5O2⇌4NO+6H2O是放热反应，达到平衡后，升温平衡逆向进行，故产率降低，
故答案为：A、B；
（6）尾气的NO、NO2可全部被碳酸钠吸收，其化学方程式为：NO+NO2+Na2CO3═2NaNO2+CO2、2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2，
故答案为：NO+NO2+Na2CO3═2NaNO2+CO2 、2NO2+Na2CO3═NaNO2+NaNO3+CO2．
工业合成氨是利用氮气和氢气在一定条件下反应生成的．氨是重要的工业原料．请回答下列问题：
（1）氮元素在周期表中的位置是______；氮原子结构示意图为______；
（2）写出氨分子的电子式______；指出分子中化学键是______（填‘离子键’或‘共价键’）．
（3）写成合成氨的化学方程式：______；该反应是放热反应，则相同条件下“1molN2和3molH2”的能量与“2molNH3”的能量较高的是______．
正确答案
解析
解：（1）氮元素是7号元素，原子结构示意图为
故答案为：第2周期ⅤA族；
（2）氨分子的分子式为NH3，氮与氢原子之间通过共价键结合，电子式为
（3）氮气与氢气在高温高压催化剂条件下合成氨，方程式为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2
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