- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
(2012秋•沙坪坝区校级期末)氨气是一种重要的化工原料,主要用于生产氮肥、硝酸、纯碱等化工产品.如图是合成氨,并联合生产硝酸、纯碱的简要流程示意图:
(1)设备A的名称是______,设置循环B→A的目的是______.
(2)反应①的化学方程式是______.反应③中氧化剂和还原剂的质量比为______.
(3)用两个化学方程式表示过程⑤中的反应过程.______
(4)上述纯碱生产中过程⑤CO2的主要来源是______.
正确答案
解析
解:(1)氮气和氢气在合成塔中生成氨气,原料的循环使用可以促使平衡正向移动,进而提高利用率,故答案为:合成塔;提高原料的利用率(或充分利用原料)
(2)氨气催化氧化得到一氧化氮,一氧化氮被氧化为二氧化氮,二氧化氮和水反应可以得到硝酸,第一个反应为:4NH3+5O24NO+6H2O,3NO2+H2O=2HNO3+NO,还原剂、氧化剂是二氧化氮,氧化剂和还原剂的质量比为:1:2,故答案为:1:2;4NH3+5O2=4NO+6H2O;
(3)过量的二氧化碳可以和氨水溶液之间反应得到碳酸氢铵溶液,碳酸氢铵溶液和饱和氯化钠溶液混合可以得到溶解度较小的碳酸氢钠晶体,即NH3+CO2+H2O=NH4HCO3,NaCl+NH4HCO3=NaHCO3↓+NH4Cl,故答案为:NH3+CO2+H2O=NH4HCO3,NaCl+NH4HCO3=NaHCO3↓+NH4Cl;
(4)天然气等燃料的燃烧会产生二氧化碳,是二氧化碳的主要来源,故答案为:天然气等燃料的燃烧.
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,可减慢正反应速率,提高N2、H2的转化率,故A错误;
B、硫酸工业中,在接触室安热交换器,目的是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,故B错误;
C、电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法,可防止阳极室产生的Cl2进入阴极室和氢氧化钠反应,故C错误;
D、向饱和食盐水中通入氨气再通入二氧化碳即可生成碳酸氢钠固体,碳酸氢钠受热分解即可得到碳酸钠,故D正确.
故选D.
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.
对于合成氨工业来说,下列叙述中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、催化剂和高压能加快反应速率,增大压强平衡正移,催化剂对平衡无响应,故A错误;
B、催化剂和高压能加快反应速率,都能缩短达到平衡状态所用的时间,增大压强平衡正移,故B正确;
C、采用氮气、氢气的循环操作,平衡右移,能提高氮气、氢气的转化率,氨气随时液化分离出,对NH3的平衡浓度无影响,故C错误;
D、采用循环操作,氨气随时液化分离出,不一定加快反应速率,故D错误;
故选B.
下列有关工业生产的叙述正确的是( )
正确答案
解析
解:A、及时从平衡混合物中分离出NH3,合成氨的产率增大,反应速率减小,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二氧化硫生成三氧化硫的反应是放热,而不是利用SO3转化为H2SO4时放的热量,故B错误;
C、阳离子交换膜有一种特殊的性质,即它只允许阳离子通过,而阻止阴离子和气体通过,也就是说只允许Na+通过,而Cl-、OH-和气体则不能通过,可防止C12和NaOH溶液反应,故C正确;
D、电镀池中,镀件是阴极,与电源的负极相连,故D正确.
故选CD.
化学工业发展推动社会进步.请回答下列问题:
(1)目前下列工艺过程没有直接使用离子交换技术的是______
A、硬水的软化 B、电解饱和食盐水制造NaOH
C、电渗析淡化海水 D、海水中提取金属镁
(2)提出联合制碱法的科学家是______
A.卢布兰 B.索尔维 C.侯德榜 D.哈伯
(3)关于合成氨工业的说法不正确的是______
A.常用铁触媒提高反应速率 B.原料气中的氮气来源于空气
C.通过冷凝把氨从混合气中分离出来 D.降低压强有利于氨的合成
(4)从沸腾炉排出的气体中不会使催化剂中毒的杂质是______
A、水蒸气 B 砷的化合物 C 硒的化合物 D 矿尘.
正确答案
解析
解:(1)A.硬水的软化,使用离子交换技术利用钠离子降低钙、镁离子的浓度,故A不选;
B.电解饱和食盐水制造NaOH,使用离子交换技术利用钠-氢交换、氯-氢氧根交换,故B不选;
C.电渗析淡化海水,使用离子交换膜对离子的选择性透过,故C不选;
D.海水中提取金属Mg,电解熔融氯化镁冶炼Mg,与离子交换技术无关,故D选;
故选D;
(2)A.卢布兰提出以普通食盐为原料,用硫酸处理得芒硝(见硫酸钠)及盐酸,芒硝再与石灰石、煤粉配合入炉煅烧生成纯碱的方法,故A错误;
B.比利时人索尔维以NaCl、CO2、H2O为原料生产Na2CO3,叫索尔维法,故B错误;
C.“联合制碱法”又称侯氏制碱法,是由我国科学家侯德邦改进索尔维法而摸索出的新的制取纯碱的方法,故C正确;
D.合成氨的发明者是哈伯,故D错误;
故选C;
(3)A.合成氨工业中,铁触媒做催化剂,故铁触媒能提高反应速率,故A正确;
B.氮气在空气中丰富的来源,即合成氨的原料氮气来自于空气,故B正确;
C.氨气易液化,故可用冷凝的方法将氨气分离,故C正确;
D.氨的合成反应是个气体气体减小的反应,故应增大压强使平衡右移,更有利于氨的合成,故D错误;
故选D;
(4)催化剂中毒就是杂质把催化剂覆盖着,阻止了它的反应,从沸腾炉排出的气体中砷的化合物、硒的化合物、矿尘能使催化剂中毒,
故选A.
贵州开磷(集团)有限责任公司按照循环经济的发展理念,将工业合成氨与制备甲醇进行联合生产,现已具备年产60万吨合成氨、38万吨甲醇的生产能力.其生产流程如图1:
请回答下列问题:
(1)工业生产时,水蒸气可与煤粉反应制备H2,反应的化学方程式为______;
(2)工业制取氢气的另一个反应为:CO+H2O(g)⇌CO2+H2.在T℃时,往1L密闭容器中充入0.2molCO和0.3mol水蒸气,反应达平衡后,体系中c(H2)═0.12mol•L-1.该温度下此反应的平衡常数K=______(填计算结果);
(3)若在恒温恒容的容器内进行反应CO(g)+2H2 (g)⇌C H3OH(g),在密闭容器中开始只加入CO、H2,反应10min后测得各组分的浓度如下:
①该时间段内反应速率v(H2)=______;
②该反应达到平衡状态的标志是______(填字母序号);
A.有1个H-H键生成的同时有3个C-H键生成
B.CO的百分含量保持不变
C.容器中混合气体的压强不变化
D.容器中混合气体的密度不变化
(4)已知在常温常压下:
①2C H3OH(l)+3O2 (g)⇌2CO2 (g)+4H2 O(g)△H1=-1275.6kJ/mol
②2C O(l)+O2 (g)⇌2CO2 (g)△H2=-566.0kJ/mol
③H2O (g)⇌H2 O(l)△H3=-44.0kJ/mol
写出甲醇不完燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式______;
(5)N2和H2以铁作催化剂从145℃就开始反应,不同温度下NH3的产率如图2所示.温度高于900℃时,NH3产率下降的原因是______;生产过程中合成气要进行循环,其目的是______.
正确答案
解析
解:(1)碳粉在高温下与水蒸气反应的化学方程式为:C+H2O(g)CO+H2,
故答案为:C+H2O(g)CO+H2;
(2)CO+H2O(g)⇌CO2+H2
初始:0.2 0.3 0 0
变化:0.12 0.12 0.12 0.12
平衡:0.08 0.18 0.12 0.12
则K==1,
故答案为:1;
(3)①由表中数据可知,l0min内甲醇的浓度变化为0.4mol/L,故v(CH3OH)==0.04mol/(L•min),速率之比等于化学计量数之比,故v(H2)=2v(CH3OH)=2×0.04mol/(L•min)=0.08mol/(L•min),
故答案为:0.08mol/(L•min);
②A.有1个H-H键生成的同时有3个C-H键生成,正逆反应速率不相等,没有达到平衡状态,故A错误;
B.CO百分含量保持不变,证明各组分不再变化,该反应已经达到了化学平衡状态,故B正确;
C.该反应是一个前后气体体积变化的反应,容器中混合气体的压强不变化,证明达到了平衡状态,故C正确;
D.混合气体质量守恒,体积恒定,所以容器中混合气体的密度不会发生变化,故D错误;
故选BC;
(4)①2CH3OH(l)+3O2(g)⇌2CO2(g)+4H2O(g)△H1=-1275.6kJ/mol
②2CO(l)+O2(g)⇌2CO2(g)△H2=-566.0kJ/mol
③H2O(g)⇌H2O(l)△H3=-44.0kJ/mol,
根据盖斯定律,将已知反应(①-②+③×4)×得到:CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l),△H=
[(-1275.6kJ/mol)-(-566.0kJ/mol)+(-44.0kJ/mol)×4]=-442.8kJ•mol-1,
故答案为:CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l)△H=-442.8kJ•mol-1;
(5)温度在900℃时,反应达到平衡状态,温度高于900℃时,即:升高温度,平衡向吸热方向,即向左移动;
由于合成氨的反应为可逆反应,提高循环利用原料,可提高原料的利用率,
故答案为:温度高于900℃时,平衡向左移动;提高原料的利用率.
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.
利用天然气合成氨的工艺流程示意如下:
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(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______(多选扣分)
(a)相似相溶原理 (b)勒沙特列原理 (c)酸碱中和原理
(4)由KHCO3分解得到的CO2可以用于______(写出CO2的一种重要用途).
(5)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)3循环,二是K2CO3(aq)循环,请在上述流程图中标出第三处循环(循环方向、循环物质)
正确答案
解析
解:(1)硫化氢是酸性气体,可以和碱氢氧化铁发生中和反应:3H2S+2Fe(OH)3═Fe2S3+6H2O,
故答案为:3H2S+2Fe(OH)3═Fe2S3+6H2O;
(2)根据天然气合成氨的工艺流程图知10%的甲烷未与水蒸汽作用,甲烷与水反应的方程式为:
CH4(g)+H2O(g)→CO(g)+3H2(g)
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0.9n mol 2.7nmol
故答案为:2.7n;
(3)K2CO3(aq)和CO2反应生成碳酸氢钾,K2CO3+CO2+H2O⇌2KHCO3,增大压强,化学平衡向右进行,符合化学平衡移动原理,故答案为:b;
(4)二氧化碳可以和氢氧化钠反应生碳酸钠,固体二氧化碳干冰易升华可以做制冷剂,故答案为:生产纯碱(或作制冷剂等);
(5)上述流程图第三处循环使用的物质是氮气和氢气,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、合成氨生产中将NH3液化分离,可减慢正反应速率,故A错误;
B、氯碱工业中,采用离子交换膜法,可防止阳极室产生的Cl2进入阴极室和氢氧化钠反应,故B正确;
C、硫酸工业中,在接触室安热交换器,目的是将反应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,故C错误;
D、硫酸工业中,SO2的催化氧化不采用高压,是因为常压下SO2转化率已经很高了,故D错误.
故选B.
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