- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
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：（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）
1 3
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：
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）
1 3
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：
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：（1）实验室制取氨气的化学方程式：2NH4Cl+Ca（OH）2
（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-．
解析
解：（1）实验室制取氨气的化学方程式：2NH4Cl+Ca（OH）2
（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-．
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：（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．
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．
【选修-化学与技术】合成氨工业的主要反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H＜O，下图是合成氨的简要流程示意图：
（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的原因是______．
（3）氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩的原因是______；在合成塔中及时分离出氨气的目的是______．
（4）工业合成氨的反应为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H＜O，当压强为30MPa，温度为500℃时，在容积为1L的密闭容器中充入1molN2和3molH2，反应达到平衡时NH3的体积分数为20%，求此时的平衡常数______．
（5）合成塔从上到下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气（冷的原料气）和反应气混合，请问这样设计的原因是什么？______．
正确答案
解：（1）工业合成氨的流程中，原理氮气衡器依次通过的设备分别是：压缩机、热交换器、合成塔、冷凝器，
故答案为：热交换器；合成塔；N2和H2；
（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前为防止催化剂中毒，需进行净化，故答案为：防止催化剂中毒；
（3）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，减少生成物氨气的浓度可以使化学平衡向着正反应方向进行，
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；减小生成物的浓度，使平衡朝生成NH3的方向进行；
（4）设氮气的转化量为x，
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始浓度 1 3 0
转化浓度 x 3x 2x
平衡浓度1-x 3-3x 2x
平衡时NH3的体积分数为20%，则
（5）冷的原料气和反应气混合，可以进行热交换，保证反映的温度，让催化剂的催化活性最大，故答案为：冷激气与每一层的反应混合气及时进行热交换，既预热原料气，又保证反应混合气的温度控制在500℃左右，使每一层的催化剂都能起到最大的催化作用．
解析
解：（1）工业合成氨的流程中，原理氮气衡器依次通过的设备分别是：压缩机、热交换器、合成塔、冷凝器，
故答案为：热交换器；合成塔；N2和H2；
（2）原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前为防止催化剂中毒，需进行净化，故答案为：防止催化剂中毒；
（3）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，减少生成物氨气的浓度可以使化学平衡向着正反应方向进行，
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；减小生成物的浓度，使平衡朝生成NH3的方向进行；
（4）设氮气的转化量为x，
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始浓度 1 3 0
转化浓度 x 3x 2x
平衡浓度1-x 3-3x 2x
平衡时NH3的体积分数为20%，则
（5）冷的原料气和反应气混合，可以进行热交换，保证反映的温度，让催化剂的催化活性最大，故答案为：冷激气与每一层的反应混合气及时进行热交换，既预热原料气，又保证反应混合气的温度控制在500℃左右，使每一层的催化剂都能起到最大的催化作用．
（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：（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+5O2
（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．
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+5O2
（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．
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