- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
（1）人类也可主动地参与氮循环，合成氨工业就是参与的手段之一，以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，它具有污染小、成本低等诸多优点． 其过程大体如下：
①请写出用天然气制备氢气的化学方程式：______
②写出合成尿素[CO（NH2）2]反应的化学方程式：______
③写出O2与NH3反应生成NH4NO3和H2O的化学方程式：______
④每生产1mol NH4NO3最少需要NH3______mol，而要生产这些NH3又最少需要CH4______mol．
（2）科学家已获得了极具理论研究意义的N4分子，其结构为正四面体（如图2）．已知断裂1molN-N键吸收193kJ热量，断裂1molN≡N键吸收941kJ热量，则1molN4气体转化为N2时要释放______kJ能量．
正确答案
解析
解：（1）①CH4转化过程中生成了CO2和H2，方程式为：CH4+2H2O
②二氧化碳和氨气反应生成尿素，根据原子守恒：CO2+2NH3
③O2与NH3反应生成NH4NO3，根据原子守恒反应的化学方程式为2NH3+2O2
④NH4NO3～2NH3，每生产1mol NH4NO3最少需要2molNH3；根据反应CH4+2H2O
故答案为：2；0.75；
（2）从结构图中可看出，一个N4分子中含有6个N-N键，根据反应热等于反应物的总键能减生成物的总键能，则N4（g）=2N2（g）△，有△=6×193 kJ•mol-1-2×941 kJ•mol-1=-724 kJ•mol-1，故答案为：724．
下列过程属于人工固氮的是（ ）
正确答案
解析
解：A、分离液态空气制氮气，是氮气的状态发生改变，不属于氮的固定，更不是人工固氮，故A错误；
B、闪电时N2转化为NO，属于自然固氮，故B错误；
C、工业合成氨是N2与H2在一定条件下反应生成NH3，属于人工固氮，故C正确；
D、豆科作物根瘤菌将N2转化为含氮化合物，属于生物固氮，故D错误．
故选：C．
写出工业合成氨和工业制备硝酸的有关反应的化学方程式：______、______．
正确答案
N2+3H2
4NH3+5O2
解析
解：在高温高压催化剂的条件下，氮气和氢气反应生成氨气，化学方程式为：N2+3H2
氨气与氧气反应生成NO，NO氧化生成二氧化氮，最后与水反应生成硝酸，发生的反应为：4NH3+5O2
故答案为：N2+3H2
合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0）
一种工业合成氨的简易流程图如下：
完成下列填空：
（1）天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS．一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生．NH4HS的电子式是______，写出再生反应的化学方程式：______．NH3的沸点高于
H2S，是因为NH3分子之间存在着一种比______力更强的作用力．
（2）室温下，0.1mol/L的氯化铵溶液和0.1mol/L的硫酸氢铵溶液，酸性更强的是______，其原因是______．已知：H2SO4：Ki2=1.2×10-2NH3•H2O：Ki=1.8×10-5．
（3）图2表示500℃、60.0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系．根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：______（答案用小数表示，保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图3坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图．
（5）上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是（填序号）______．简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：______．
正确答案
解析
解：（1）NH4HS的电子式是
；NH3分子间存在氢键，所以NH3的沸点高于H2S，
故答案为：
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度Ki2=1.2×10-2，非常的大，而氯化铵是水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性强同浓度的氯化铵，
故答案为：硫酸氢铵；硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度Ki2=1.2×10-2，非常的大，大于铵根离子水解产生的酸性；
（3）依据反应特征N2+3H2=2NH3 △V
1 3 2 2
平衡体积 V V
即反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为100，氨气为体积42，则反应前气体体积100+42=142，氮气和氢气按照1：3混合，氮气体积=142×
故答案为：14.5%；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，画出的图象为：
（5）分析流程合成氨放热通过Ⅳ热交换器加热反应混合气体，使反应达到所需温度，提高合成氨原料总转化率，依据平衡移动原理分析，分离出氨气促进平衡正向进行，把平衡混合气体中氮气和氢气重新循环使用，提高原理利用率；
故答案为：Ⅳ；分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．
工业生产中物质的循环利用有多种模式．例如：
表述不正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、图Ⅰ若是工业合成氨，反应是化学平衡，不能进行彻底，原料气氮气和氢气可以循环利用，故A正确；
B、若图I为合成SO3，SO2和O2生成SO3，反应是化学平衡，不能进行彻底，原料气可以循环利用，故B正确；
C、海水提取得到氢氧化镁和盐酸反应生成氯化镁，浓缩蒸发得到氯化镁固体，电解得到金属镁和氯气，氯气和氢气反应生成氯化氢可以循环利用，故C正确；
D、图Ⅲ可表示氨催化氧化法制硝酸时，氨气和氧气催化氧化为一氧化氮，一氧化氮氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水生成硝酸和一氧化氮，一氧化氮可以循环利用，故D错误；
故选D．
下列物质的工业制备原理不正确的是（ ）
A氨气：N2+3H2
B铝：2Al2O3（熔融）
C氯气：MnO2+4HCl（浓）
D硫酸：2SO2+O2
正确答案
解析
解：A、工业制取氨气，是利用氢气与氨气在高温高压催化剂的作用下氧化，故A正确；
B、铝是活泼金属，工业利用电解熔融氧化铝制取，故B正确；
C、氯气工业利用电解食盐水得到，故C错误；
D、工业制取硫酸是二氧化硫氧化为三氧化硫，然后吸收三氧化硫，故D正确．
故选C．
化学是人类进步的关键，化学为人类的生产、生活提供了物质保证．
Ⅰ．氮的化合物是重要的化工产品．其生产方法也在逐渐改进中，各国科学家均在为提高其产量，降低能耗做各种有益的探究．
（1）25℃时合成氨反应热化学方程式为：N2（g）+3H2（g）═2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol． 在该温度时，取1molN2和3molH2放在密闭容器中，在催化剂存在下进行反应，测得反应放出的热量总是小于92.4kJ．其原因是______．
（2）近年有人将电磁场直接加在氮气与氢气反应的容器内，在较低的温度和压强条件下合成氨，获得了较好的产率．从化学反应本质角度分析，电磁场对合成氨反应的作用是______；与传统的合成氨的方法比较，该方法的优点是______．
Ⅱ．（1）卤水中蕴含着丰富的镁资源，经转化后可获得MgCl2粗产品．从卤水中提取镁的步骤为：
a．将海边大量存在的贝壳煅烧成石灰，并将石灰制成石灰乳；
b．将石灰乳加入到海水沉淀池中经过滤得到Mg（OH）2沉淀；
c．在Mg（OH）2沉淀中加入盐酸得到MgCl2溶液，再经蒸发结晶得到MgCl2•6H2O；
d．将MgCl2•6H2O在一定条件下加热得到无水MgCl2；
e．电解熔融的氯化镁可得到Mg．
①步骤d中的“一定条件”指的是______．
②有同学认为：步骤b后可加热Mg（OH）2得到MgO，再电解熔融的MgO制金属镁，这样可简化实验步骤，你同意该同学的想法吗？为什么？______
（2）铀是核反应最重要的燃料，已经研制成功一种螫合型离子交换树脂，它专门吸附海水中的U4+，而不吸附其他元素．其反应原理为______（树脂用HR代替），发生离子交换后的离子交换膜用酸处理还可再生并得到含铀的溶液，其反应原理为：______．
正确答案
该反应是可逆反应，原料气不可能完全反应
在电磁场的作用下氮氮三键更容易断裂，降低了反应所需要的能量，反应更容易进行
节约了能源、降低了对设备的要求
氯化氢气流中抑制Mg2+水解
因为MgO熔点很高，熔融时会消耗大量的电能而增加生产成本
4HR+U4+=UR4+4H+
UR4+4H+=4HR+U4+
解析
解：Ⅰ．（1）由N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol可知，生成2mol氨气放出92.4kJ热量，l molN2和3molH2放在密闭容器中，在催化剂存在下进行反应，由于可逆反应不可能完全转化，所以生成氨气的物质的量小于2mol，放出的热量小于92.4kJ；
故答案为：该反应是可逆反应，原料气不可能完全反应；
（2）在电磁场的作用下氮氮三键更容易断裂，降低了反应所需要的能量，反应更容易进行；传统的合成氨的条件是高温、高压，该方法的优点是低温、低压，这样就节约了能源、降低了对设备的要求，
故答案为：在电磁场的作用下氮氮三键更容易断裂，降低了反应所需要的能量，反应更容易进行；节约了能源、降低了对设备的要求；
Ⅱ．（1）①MgCl2•6H2O在一定条件下加热得到无水MgCl2，若直接加热MgCl2•6H2O，会促进Mg2+水解，得不到无水MgCl2，因Mg2+水解呈酸性，加盐酸或在氯化氢气流中可抑制Mg2+水解，故一定条件为在HCl气流中，目的是抑制Mg2+水解；
②氧化镁熔点很高，熔融时会消耗大量的电能而增加生产成本，故不同意该同学的想法．
故答案为：氯化氢气流中抑制Mg2+水解；因为MgO熔点很高，熔融时会消耗大量的电能而增加生产成本；
（2）螫合型离子交换树脂，它专门吸附海水中的U4+，即4HR+U4+=UR4+4H+，发生离子交换后的离子交换膜用酸处理还可再生并得到含铀的溶液，即UR4+4H+=4HR+U4，
故答案为：4HR+U4+=UR4+4H+；UR4+4H+=4HR+U4．
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A．根据升温、加压、增大浓度、使用催化剂等可加快化学反应速率，反之减慢．对于可逆反应来说，正逆反应速率的变化趋势是一样的，合成氨生产过程中将NH3液化分离，减少了生成物的浓度，所以减慢正逆反应速率，但平衡向正反应方向移动，提高了N2、H2的转化率，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SO2与O2反应放出的热量，对SO2与O2反应进行预热，SO3转化为H2SO4是在吸收塔中进行的，故B错误；
C．惰性电极电解氯化钠溶液，阳极阴离子放电，阳极电极反应为：2Cl--2e-=Cl2↑；阴极阳离子放电，阴极电极反应为：2H++2e-=H2↑，采用离子交换膜法，可防止阳极室产生的Cl2进入阴极室，故C错误；
D．硅酸盐工业：工业制备是以含硅元素物质为原料经加热制成的，这一制造工业叫做硅酸盐工业，如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业，这些产品为人类提供了大量的建筑等材料，故D正确；
故选D．
利用天然气合成氨的部分工艺流程图如下：
依据上述流程，完成下列问题：
（1）写出流程中一次转化的化学方程式：______．
（2）上述流程有二处循环，一是K2CO3（aq）循环，二是______循环（填化学式）．
（3）1998年科学家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解法合成氨．写出阳极反应式：______．
（4）一定条件下，将a mol N2与b mol H2的混合气体通入容积为2L的密闭容器中，发生反应：
①该反应平衡常数的表达式：K=______；
②达到平衡时
③为了提高H2的转化率，可采取的措施是______ （填写字母编号）．
A．增大H2的浓度 B．增大N2的浓度 C．使用催化剂 D．降低温度．
正确答案
解析
解：（1）一次转化中产物为一氧化碳和氢气，故答案为：CH4+H2O=CO+3H2；
（2）上述流程有二处循环，一是K2CO3（aq）循环，二是氮气和氢气循环，故答案为N2、H2；
（3）阳极为失去电子的反应，发生氧化反应，化合价升高，那么就是氢气反应，故答案为：H2-2e-=2H+；
（4）①依据反应方程式的出会心反应平衡常数表达式为：K=
②依据
始态 a b 0
转化 x 6
平衡 13 6
可以计算转化x=3，故a=13+3=16，故转化率为
③增大一种反应物的浓度，可以提高另一种反应物的转化率；平衡右移可以增加反应物的转化率，故答案为BD．
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、硫酸工业中，在接触室安装热交换器是利用反应放出的热量预热二氧化硫和氧气的混合气，故B错误；
C、电解饱和食盐水时，阴极室产生的是氢气和氢氧化钠，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Cl2进入阴极室，故C错误；
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正确．
故选D．
扫码查看完整答案与解析