- 人工固氮技术——合成氨
- 共672题
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产,流程如下:
(1)在合成氨的反应中,改变反应条件,会使平衡发生移动.如图象表示随条件改变,氨气的百分含量的变化趋势.
当横坐标为压强时,变化趋势正确的是(选填字母序号)______,
当横坐标为温度时,变化趋势正确的是(选填字母序号)______.
(2)如图所示三个容积相同的容器①、②、③,若起始温度相同,分别向三个容器中充入3mol H2和1mol N2,一定条件下反应,达到平衡时各容器中NH3物质的百分含量由大到小的顺序为______(填容器编号)
(3)氨气和氧气从145℃就开始反应,在不同温度和催化剂条件下生成不同产物(如图所示):
4NH3+5O2⇌4NO+6H2O
4NH3+3O2⇌2N2+6H2O
温度较低时以生成______为主,温度高于900℃时,NO产率下降的原因______.吸收塔中需要补充空气的原因______.
正确答案
解析
解:(1)工业合成氨为N2+3H22NH3 △H<0 增大压强时平衡向右进行,氨气的百分含量增大,
因△H<0,为放热反应,增加温度,平衡向逆反应方向移动,氨气的百分含量减少,故答案为:b,a.
(2)以②为基准,①外有隔热套,相当于在②基础上加热平衡向逆反应方向移动,氨气的百分含量减少.③是恒压状态,相当于在②基础上加压,平衡向右进行,氨气的百分含量增大.所以NH3物质的百分含量由大到小的顺序为①<②<③
故答案为:①<②<③;
(3)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.吸收塔中需要补充空气是增加反应物的浓度,使平衡向正向移动,进一步与NO反应生成硝酸.
故答案为:N2;生成NO的反应为放热反应,升高温度转化率下降;进一步与NO反应生成硝酸.
氨气是中学化学中常见的气体,其用途广泛.
(1)实验室制取氨气的化学方程式是______.
(2)工业上氨气可以由氢气和氮气合成如图1所示.
①该反应的热化学方程式是______.
②随着温度的升高,该反应的化学平衡常数的变化趋势是______.
③简述一种检查氨气是否泄露可采用的化学方法:______.
(3)工业制硫酸的尾气中含较多的SO2,为防止污染空气,回收利用SO2,工业上常用氨水吸收法处理尾气.
①当氨水中所含氨的物质的量为3mol,吸收标准状况下44.8L SO2时,溶液中的溶质为______.
②(NH4)2SO3显碱性,用化学平衡原理解释______.
(4)氨气是一种富氢燃料,可以直接用于燃料电池,如图2是供氨水式燃料电池工作原理:
①氨气燃料电池的电解质溶液最好选择______(填“酸性”、“碱性”或“中性”)溶液.
②空气在进入电池装置前需要通过过滤器除去的气体是______.
③氨气燃料电池的反应是氨气与氧气生成一种常见的无毒气体和水,该电池的电极总反应是______,正极的电极反应式是______.
正确答案
解析
解:(1)实验室制取氨气的化学方程式:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O,故答案为:2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2NH3↑+2H2O;
(2)①△H=反应物键能和-生成物键能和=945KJ/mol+3×436KJ/mol-6×391.06KJ/mol=-93.36 kJ/mol,所以,其热化学方程式为:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-93.36 kJ/mol,故答案为:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-93.36 kJ/mol;
②计算可知反应是放热反应,升温,平衡逆向进行,平衡常数减小;
故答案为:减小;
③氨气和HCl反应产生白烟,并且显碱性,所以,检查氨气是否泄露可采用的化学方法有:将湿润的红色石蕊试纸接近容器,观察试纸是否变蓝,如果变蓝说明有氨气泄露(或蘸取浓盐酸接近容器,观察是否有白烟生成,如果有白烟生成说明管道泄露);
故答案为:将湿润的红色石蕊试纸接近容器,观察试纸是否变蓝,如果变蓝说明有氨气泄露(或蘸取浓盐酸接近容器,观察是否有白烟生成,如果有白烟生成说明管道泄露);
(3)①氨的物质的量为3mol,吸收标准状况下44.8L SO2时.N原子3mol,S原子2mol,据原子守恒,在(NH4)2SO3中,其原子个数比N:S=2:1,在中,NH4HSO3,其原子个数比N:S=1:1,所以,生成物有(NH4)2SO3和NH4HSO3,故答案为:(NH4)2SO3和NH4HSO3;
②(NH4)2SO3溶液中,铵根和亚硫酸根都会水解,(NH4)2SO3显碱性说明,NH4++H2O⇌NH3•H2O+H+SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-,SO32-水解程度大于NH4+ 的水解程度使溶液中c(OH-)>c(H+),溶液呈碱性,
故答案为:NH4++H2O⇌NH3•H2O+H+SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-,SO32-水解程度大于NH4+ 的水解程度使溶液中c(OH-)>c(H+),溶液呈碱性;
(4)①氨气是碱性气体,所以电解液最好选择碱性的,故答案为:碱性;
②空气中的CO2能和氨水反应,所以,滤去的气体是CO2,故答案为:CO2;
③生成的无毒气体时N2,据此书写化学方程式为:4NH3+3O2=2N2+6H2O,正极发生氧化反应,氧气在正极反应,注意时碱性环境,所以,正极的电极反应式为:O2+4e-+2H2O=4OH-,故答案为:4NH3+3O2=2N2+6H2O;O2+4e-+2H2O=4OH-.
下列有关生产生活涉及的操作和原理说法正确的是( )
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、铁钉镀锌,将锌与电源正极相连,铁和负极相连,电镀过程需要控制电流强度、溶液pH等条件,故B错误;
C、作原电池负极的金属加速被腐蚀,作原电池正极的金属被保护,海轮外壳绑上锌板,锌、铁和海水构成原电池,锌作负极,铁作正极被保护,该保护方法为牺牲阳极的阴极保护法,故C正确;
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错误.
故选C.
实验室合成氨装置如图:
试回答:
(1)装置甲的作用是:①______,②______,
(2)从丙导出的气体是______,
(3)乙中发生的反应方程式为______,
(4)检验产物的简单化学方法是______.
正确答案
干燥气体
使N2和H2充分混合(或观察气泡以调节氢气、氮气流速)
NH3、N2、H2
N2+2H22NH3
用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近丙的导管口,有白烟生成,说明有NH3生成(或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成)
解析
解:(1)装置甲的作用有:①浓硫酸具有吸水性,能够干燥气体,②混合气体通过浓硫酸后使N2和H2充分混合,③通过观察气泡,可以调节氢气、氮气流速,
故答案为:干燥气体;使N2和H2充分混合(或观察气泡以调节氢气、氮气流速);
(2)由于氮气与氢气的反应为可逆反应,所以从丙中导出的气体为NH3、N2、H2的混合气体,
故答案为:NH3、N2、H2;
(3)氮气和氢气在高温、高压、催化剂条件下反应生成氨气,反应的化学方程式为:N2+2H22NH3,
故答案为:N2+2H22NH3;
(4)检验氨气的方法可以为:蘸有浓盐酸的玻璃棒放在导管口,有白烟说明有氨气生成,或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成,
用蘸有浓HCl的玻璃棒靠近丙的导管口,有白烟生成,说明有NH3生成,
故答案为:用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近丙的导管口,有白烟生成,说明有NH3生成(或能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色也说明有氨气生成).
某工厂以天然气、水蒸气和空气为原料和能源合成氨的流程如图.该流程中外热式一级烃转化器系指以CH4为燃料在烃气转化器外面加热使之维持800℃高温的工业装置.内热式一级烃气转 化器系指以H2在装置内燃烧为能量维护一 级烃气转化器所生成的CO与H20(g)反应 生成C02和H2所需1000℃高温的装置.
在编号为i-v的反应器中发生如下反应:
A.CH4+202=CO2+2H20
B.CH4+H20(g)=CO+3H2
C.2CH4+3H20(g)=CO+CO2+7H2
D.K2C03+C02+H20=2KHC03
E.C0+H20(g)⇌CO2+H2△H<0
F.2H2+O2=2H20
(1)反应A发牛在编号为______的反应器中,它的作用是______
(2)反应F发生在编号为______的反应器中.
(3)反应D的作用是______
(4)属于制备合成氨原料气的反应有______(填化学方程式编号).
(5)为什么转化反应要分两步,第一步在400℃时进行,第二步在200℃时进行?______.
正确答案
解析
解:(1)甲烷在装置ⅰ中燃烧放出热量,为反应C提供热量,故答案为:ⅰ;该反应放出的热量使反应C在800℃下进行;
(2)氢气在ⅱ中燃烧为CO与H20(g)反应生成C02和H2,为放热反应,提供能量,故答案为:ⅱ;
(3)利用碳酸氢钾溶液吸收混合气体中的二氧化碳,故答案为:吸收混合气体中的二氧化碳;
(4)BCE三个反应中生成的氢气为合成氨的原料,故答案为:BCE;
(5)E反应是一个放热的反应,从反应限度角度考虑:因该反应是放热反应,故在200℃时有利于提高CO的转化率;从速率角度考虑:400℃时能加快反应E的速率,缩短达到平衡所需要的时间,所以转化反应要分两步,第一步在400℃时进行,第二步在200℃时进行,
故答案为:400℃时能加快反应E的速率,缩短达到平衡所需要的时间;又因该反应是放热反应,故在200℃时有利于提高CO的转化率.
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%.
实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下:
已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气.
(1)从图中选择制取氮气的合适装置:______(填编号)
(2)氮气和氢气通过甲装置,甲装置的作用:①______②______③______
(3)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,能说明反应发生的现象是______,乙装置中的CCl4的作用是______.
(4)反应结束后锥形瓶内的溶液中含有的离子有:H+、OH-、______、______.
正确答案
a
干燥气体
控制氢气和氮气的流速
混合气体
出现红棕色气体
防止倒吸
NH4+
NO3-
解析
解:(1)实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气,是溶液与溶液反应,可以选择a,故答案为:a;
(2)氮气和氢气通过甲装置,甲装置中的浓硫酸可以将氮气和氢气干燥,同时可以根据甲装置中冒气泡的速率来控制气体流量,混合气体,
故答案为:干燥气体;控制氢气和氮气的流速;混合气体;
(3)根据反应物的性质进行分析,氨的催化氧化生成一氧化氮和水,氨的催化氧化反应为:4NH3+5O24NO+6H2O,NO被氧化生成红棕色的NO2,乙装置可以防止倒吸,故答案为:出现红棕色气体;防止倒吸;
(4)氨的催化氧化反应产物是一氧化氮和水,一氧化氮极易与空气中的氧气变为二氧化氮,二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮,所以硝酸的存在会和氨水反应生成硝酸铵,溶液中会存在H+、OH-、NH4+、NO3-,故答案为:NH4+;NO3-.
(1)合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义.工业合成
氨的原理是:N2+3H22NH3△H<0,生产流程如图1所示.
①X的化学式为______;
②图中条件选定的主要原因是(选填字母序号)______;
A.升高温度、增大压强均有利于氨的合成
B.铁触媒在该温度时活性大
C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
③改变反应条件,会使平衡发生移动.图2表示随条件改变,氨气的百分含量的变化趋势.当横坐标为压强时,变化趋势正确的是(选填字母序号)______,当横坐标为温度时,变化趋势正确的是(选填字母序号)______.
(2)常温下氨气极易溶于水,其水溶液可以导电.
④用方程式表示氨气溶于水且显弱碱性的过程:______;
⑤氨水中水电离出的c(OH-)______ 10-7 mol•L-1(填写“>”、“<”或“=”);
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后,溶液中离子浓度由大到小依次为______.
正确答案
解析
解:①合成氨工业有下列流程:原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离,从图1生产流程知,原料气氮气和氢气,经过氨的合成、氨的分离,所以X为氨气,Y为氮气和氢气的混合气,再循环利用,故答案为:NH3;
②A.升高温度,能使反应速率加快,但该反应正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,不利于氨的合成;增大压强,能使反应速率加快,反应也向正反应方向移动,但过高的压强,反应成本高,故A错误;
B.实际生产中采用400~500℃的高温,催化剂的催化活性最高,可以增加反应速率,缩短达到平衡的时间;故B正确;C.合成氨工业的原理是:N2+3H22NH3△H<0,从化学平衡的角度看,温度越低,压强越大,越有利于合成氨,工业生产以经济利益最大化为目的,所以工业生产受动力、材料、设备等条件的限制,目前的生产条件为:催化剂-铁触媒,温度-400~500℃,压强-30~50MPa,故C正确;
故答案为:BC.
③合成氨工业的原理是:N2+3H22NH3△H<0,因△H<0,从化学平衡的角度看,正反应为放热反应,温度越低,越有利于合成氨,增加温度,平衡向逆反应方向移动,氨气的百分含量减少;正反应为体积缩小的反应,所以压强越大,越有利于合成氨,增大压强时平衡向右进行,氨气的百分含量增大,结合图象可以知道c符合要求.又因为合成氨反应是一个放热反应,可以得出随着温度的升高,平衡向氨气减少的方向移动,结合图象可以知道a符合要求;答案为:c;a;
(2)④氨气和水反应生成氨水,氨水电离生成氢氧根离子和铵根离子,方程式为:NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-,
故答案为:NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-;
⑤水电离出氢离子和氢氧根离子,氨水是弱碱,电离出电离生成氢氧根离子和铵根离子,对水的电离起抑制作用,所以水电离出的c(OH-)<10-7 mol•L-1,故答案为:<;
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后,反应生成氯化铵溶液,铵根离子水解,c(Cl-)>c(NH4+),氯化铵为强酸弱碱盐,水解后溶液呈酸性,c(H+)>c(OH-),水解极其微弱,所以c(NH4+)>c(H+),
故答案为:c(Cl-)>c(NH4+)>c(H+)>c(OH-);
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,减小氨气的浓度会导致正化学反应速率减慢,化学平衡向右移动,提高N2、H2的转化率,故A正确;
B、MgO比MgCl2熔点高,电解MgO比电解MgCl2的电能多,浪费资源,所以工业上通过电解熔融氯化镁获得金属镁,故B错误;
C、电解精炼铜时,在阳极上是金属锌、铁、镍先失去电子,在阴极上是铜离子得电子生成金属Cu的过程,同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小,溶液中铜离子浓度减小,故C正确;
D、电解饱和食盐水时,在阴极上产生的是氢气和氢氧化钠,在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C12进入阴极室,故D错误;
故选AC.
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,提高N2、H2的转化率,但是会减慢反应速率,故A错误;
B、联合制碱法原是向氨化的饱和氯化钠溶液中通入足量的二氧化碳,使溶解度较小的碳酸氢钠从溶液中析出,其反应的化学方程式为:NaCl+CO2+NH3+H2O═NH4Cl+NaHCO3,故B正确;
C、硫酸工业中,在接触室安装热交换器是为了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,SO3转化为H2SO4是在后面的吸收塔中进行的,故C错误;
D、电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法,可以防止阴极室产生的氢氧化钠、氢气和阳极室生成的Cl2混合,故D错误.
故选B.
扫码查看完整答案与解析