- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
（1）合成塔中发生反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0）．下表为不同温度下该反应的平衡常数．
由此可推知，表中：T2______300℃（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）NH3和O2在铂系催化剂作用下从145℃就开始反应：
4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）+905kJ，不同温度下NO气体的产率如图所示．温度高于900℃时，NO气体产率下降的原因是______．
（3）吸收塔中反应为：3NO2+H2O⇌2HNO3+NO．从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是______．
（4）硝酸厂的尾气含有氮氧化物，不经处理直接排放将污染空气．目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮氧化物还原为氮气和水，其反应机理为：
CH4（g）+4NO2（g）→4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）+574kJ；
CH4（g）+4NO（g）→2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）+1160kJ．
则1mol甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：______．
正确答案
＜
温度高于900℃时，平衡向左移动
充入空气，NO转化为NO2，有利于提高原料利用率
CH4（g）+2NO2（g）=CO2（g）+N2（g）△H=+867kJ/mol
解析
解：（1）根据N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0），知道反应是放热反应，温度越高，平衡常数越小，所以T2＜300℃，故答案为：＜；
（2）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，故答案为：温度高于900℃时，平衡向左移动；
（3）吸收塔中需要补充空气，可以让NO转化为NO2，提高原料利用率，故答案为：充入空气，NO转化为NO2，有利于提高原料利用率；
（4）已知：①CH4（g）+4NO2（g）→4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）+574kJ；
②CH4（g）+4NO（g）→2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）+1160kJ．
甲烷直接将NO2还原为N2的化学方程式：CH4+2NO2=CO2+N2，可以有
联合生产是实现节能减排的重要措施，工业上合成氨和硝酸的联合生产具有重要的意义．下面是工业上合成氨的简易流程：
（1）设备A中含有电加热器，触媒和热交换器，设备A的名称是______，其中发生的化学反应方程式为______；
（2）设备B的名称是______，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是______；
（3）设备C的作用是______．
（4）原料气中往往含有CO等杂质，在进行反应前要先净化，净化的原因是______．
（5）氮气和氢气的混合气体通过压缩机压缩的原因是______．
（6）生产出来的NH3可以用来生产硝酸．在制备硝酸的过程中，由于二氧化氮不能一次性被水完全吸收，因此生成的气体须经过多次氧化、吸收的循环操作，使其充分转化为硝酸（不考虑生产过程中的其它损失）．
①从理论上分析，要使氨气完全转化为硝酸，则原料中氧气和氨气物质的量的投料比至少为______．
②如果按理论上的原料比将原料放在特定条件的密闭容器中进行反应，所有物质不与外界交换，则最后所得溶液的质量分数为______．（保留三位有效数字）
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气经过压缩、除油后进入合成塔合成氨气，所以A为合成塔；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：合成（氨）塔；N2+3H2
（2）从合成塔出来的气体温度较高，需要先降温再吸收，则B为冷却塔（或冷凝器）；一元高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好，所以入水口为n，
故答案为：冷却塔（或冷凝器）；n；高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好；
（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：分离液氨和未反应的原料气；
（4）原料气中的H2S、CO、CO2等杂质容易造成催化剂中毒，降低催化效果，所以必须将原料气中往往含有的H2S、CO、CO2等杂质除去，防止催化剂中毒，
故答案为：防止催化剂中毒；
（5）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩，来增大压强，这样可以加快化学反应速率，还可以让化学平衡朝生成NH3的方向进行，
故答案为：增大压强，加快反应速率，使平衡朝生成NH3的方向进行；
（6）①由4NH3+5O2
故答案为：1：2；
②由4NH3+5O2
故答案为：77.8%．
（2013秋•济南期末）关于工业合成氨的叙述中错误的是（ ）
正确答案
解析
解：A．合成氨的正反应为气体 体积缩小的反应，压强越大，反应物的转化率越高，则在动力、设备、材料允许的条件下尽可能在高压下进行，故A正确；
B．合成氨的正反应为放热反应，升高温度后不利于氨气的生成，故B错误；
C．合成氨中N2和H2的循环使用，可以提高原料气的利用率，降低成本，故C正确；
D．及时从反应体系中分离出氨气，反应物浓度减小，有利于平衡向正反应方向移动，故D正确；
故选B．
1902年德国化学家哈博研究出合成氨的方法，其反应原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H（△H＜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：H2SO4=H++HSO4-； HSO4-⇌H++SO42-：K=1.2×10-2NH3•H2O：K=1.8×10-5
（3）如图甲表示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：______（保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图乙坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从常温下通入原料气开始，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（只答一种即可）：______．
正确答案
解析
解：（1）NH4HS为离子化合物，其电子式是
；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的电离程度Ki2=1.2×10-2，0.1mol/L的硫酸氢铵溶液中氢离子浓度约为：0.1mol/L×1.2×10-2=1.2×10-3×mol/L，而氯化铵是铵根离子部分水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性大于同浓度的氯化铵，
故答案为：NH4HSO4；HSO4-有较大程度的电离，使溶液呈较强酸性，而NH4Cl只是NH4+水解呈弱酸性；
（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：
故答案为：
（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．
硝酸铵是一种常用的化肥，其工业生产流程如图，请回答下列问题．
（1）写出反应容器B中发生反应的化学方程式：______．
（2）吸收塔C中通入空气的目的是______；C、D两个反应容器中发生的反应，属于氧化还原反应的是______（填反应容器代号）．
（3）浓硝酸一般保存在棕色试剂瓶里，并放置在阴凉处，用化学方程式解释原因：______．
（4）金属铜与稀硝酸反应的离子方程式是______，该反应中稀硝酸表现的性质是______．
正确答案
解析
解：（1）B中氨气转化为NO的化学方程式为：4NH3+5O2
（2）在整个生产流程中，吸收塔C中通入空气的目的是将一氧化氮氧化成二氧化氮；C中NO转化为NO2是氧化还原反应，而硝酸吸收氨气生成硝酸氨是非氧化还原反应；
故答案为：将一氧化氮氧化成二氧化氮；C；
（3）浓硝酸见光或受热易分解，所以应放置在阴凉处，分解的化学方程式为4HNO3
故答案为：4HNO3
（4）金属铜与稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水，其离子方程式为3Cu+8H++2NO3-=3Cu2++2NO↑+4H2O；稀硝酸中氮元素一部分化合价降低、一部分化合价不变，表现为氧化性和酸性，故答案为：3Cu+8H++2NO3-=3Cu2++2NO↑+4H2O；酸性和氧化性．
能源“非石油化”是战略目标，发展以CH4、CO2等原料的“C1化学”成为当今化工生产的必然趋势．通常天然气中含有H2S等有毒气体，下图为天然气合成氨（NH3）的工艺流程：
（1）合成氨的原料之一为氮气，该流程中为合成氨提供氮气的物质是______．
（2）①处加入Fe2O3•H2O的目的是______．
（3）②处CH4与H2O（气）反应生成CO2与H2则化学方程式是（反应条件略去）______．
（4）③处一般加入K2CO3溶液以吸收CO2，K2CO3溶液与CO2反应生成碳酸氢钾（KHCO3），该反应的化学方程式是______．
（5）该流程中参与循环的物质是______．
正确答案
空气
除去硫化氢
CH4+2H2O=CO2+4H2
K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3
Fe2O3•H2O
解析
解：（1）所给的原料中有空气，空气中含有大量的氮气，空气可以作为合成氨提供氮气的物质，故答案为：空气；
（2）Fe2O3•H2O可以和硫化氢反应生成FeS、硫单质和水，所以加入Fe2O3•H2O的目的是除去硫化氢，故答案为：除去硫化氢；
（3）CH4与H2O（气）反应生成CO2与H2的方程式为：CH4+2H2O=CO2+4H2，故答案为：CH4+2H2O=CO2+4H2；
（4）K2CO3溶液可以和CO2反应生成碳酸氢钾（KHCO3），即K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，故答案为：K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3；
（5）该流程中加入了Fe2O3•H2O，最后又生成了Fe2O3•H2O，Fe2O3•H2O在流程中参与循环使用，故答案为：Fe2O3•H2O．
（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______，______；
（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______；
（4）设备C的作用______．
正确答案
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，
故答案为：液化、分馏；与碳反应后除去CO2；
（2）合成氨的设备为合成塔，发生N2（g）+3H2（g）
故答案为：合成（氨）塔；N2（g）+3H2（g）
（3）冷凝分离设备为冷凝塔或冷凝器，
故答案为：冷凝塔或冷凝器；
（4）设备C为分离器，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．
（2015秋•莱芜期末）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）△H＜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叫______的作用力．
（2）室温下，0.1mol•L-1的氯化铵溶液和0.1mol•L-1的硫酸氢铵溶液，酸性更强的是______，其原因______．
（已知：HSO4-⇌H++SO42-Ka=1.2×10-2 NH3•H2O⇌NH4++OH-Kb=1.8×10-5 ）
（3）图甲表示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，在图乙坐标系中，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：______（任写2点）．
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．
氨在工业上有很多重要应用，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______；原料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______；
（3）设备C的作用是______．
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气在合成塔内发生化合反应生成氨气方程式为：N2+3H2 
故答案为：合成塔；N2+3H2 
（2）混合气体进入冷却塔冷凝，冷凝水从下口n进入，从上口m排出，这样通过逆向通水，冷凝效果会更好，
故答案为：冷凝器；n；高温气体从冷凝塔上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷凝效果更好；
（3）C是分离塔，在分离塔内将液氨和未反应的原料气体分离，然后循环利用，提高了原料的利用率，
故答案为：将液氨和未反应的原料气体分离．
利用天然气合成氨的工艺流程示意图如图1所示：
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）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
（3）由KHCO3分解得到的CO2可以用于______（写出CO2的一种重要用途）．
（4）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是K2CO3（aq）循环，请在图2中标出上述流程图第三处循环（循环方向、循环物质）．
（5）在一定温度和压强的密闭合成反应器中，H2和N2混合气体平均相对分子质量为8.5，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）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）K2CO3（aq）和CO2反应生成碳酸氢钾，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；
（3）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）；
（4）上述流程图第三处循环使用的物质是氮气和氢气，即
（5）设充入气体总量为1mol，氮气为x，则氢气为（1-x）．
则有：28x+2（1-x）=8.5解得：N2：x=0.25mol H2：1mol-0.25mol=0.75mol
又设平衡时N2转化y，则：
N2 +3H2⇌2NH3
起始 0.25mol 0.75mol 0
变化 y 3y 2y
平衡 （0.25-y）mol （0.75-3y）mol 2ymol
则有：
解得：y=0.075mol
则氢气的转化率为：
答：此时H2的转化率为30%．
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