- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
（2013•郴州模拟）氨是最重要的化工产品之一．
（1）合成氨用的氢气可以甲烷为原料帛制得．有关化学反应的能量变化如下图所示，则CH4（g）与H2O（g）反应生成CO（g）和H2（g）的热化学方程式为______．
（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______．
（3）直接供氨式碱性燃料电池的电池反应为：4NH3+3O2═2N2+6H2O，负极电极反应式为：______．
（4）氨气制取尿素[CO（NH2）2]的合成塔中发生反应：2NH3（g）+CO2（g）⇌CO（NH2）2（l）+H2O（g）．图4为合成塔中不同氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]和水碳比b[n（H2O）/n（CO2）]时二氧化碳转化率（x）．b宜控制在______（填序号）范围内（A．0.6～0.7 B．1～1.1 C．1.5～1.61）；a宜控制在4.0左右，理由是______．
（5）氨氧化法制硝酸工业中，可用尿素溶液除去尾气中氮氧化物（NO和NO2）．尾气中的NO、NO2与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素反应生成对大气无污染的气体．1mol尿素能吸收工业尾气中氮氧化物（假设NO、NO2体积比为1：1）的质量为______g．
正确答案
解：（1）图1、图2、图3写出热化学方程式分别为：①CO（g）+
③CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H=-846.3kJ•mol-1，
由③-（①+②×3）得：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+161.1kJ•mol-1，故答案为：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+161.1kJ•mol-1，
（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；（3）负极发生氧化反应，氨气被氧化生产氮气，电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O，故答案为：2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O；
（4）氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]相同时，水碳比b[n（H2O）/n（CO2）]为0.6～0.7时，二氧化碳转化率最大，故答案为：A；
氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]小于4.0时，二氧化碳的转化率较小，
故答案为：氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]小于4.0时，二氧化碳的转化率较小；
（5）由题目信息可知，NO、NO2二者混合物与水反应生成亚硝酸，反应方程式为NO+NO2+H2O=2HNO2；亚硝酸再与尿素反应生成CO2和N2，反应方程式为CO （NH2）2+2HNO2=CO2+2N2+3H2O．
NO+NO2 ～2HNO2 ～CO（NH2）2
（30+46）g 1mol
1mol尿素能吸收工业尾气中氮氧化物（假设NO、NO2体积比为1：1）的质量为76g，故答案为：76；
解析
解：（1）图1、图2、图3写出热化学方程式分别为：①CO（g）+
③CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H=-846.3kJ•mol-1，
由③-（①+②×3）得：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+161.1kJ•mol-1，故答案为：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+161.1kJ•mol-1，
（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；（3）负极发生氧化反应，氨气被氧化生产氮气，电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O，故答案为：2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O；
（4）氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]相同时，水碳比b[n（H2O）/n（CO2）]为0.6～0.7时，二氧化碳转化率最大，故答案为：A；
氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]小于4.0时，二氧化碳的转化率较小，
故答案为：氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]大于4.0时，增大氨气的物质的量，二氧化碳的转化率增加不大，增加了生产成本；氨碳比a[n（NH3）/n（CO2）]小于4.0时，二氧化碳的转化率较小；
（5）由题目信息可知，NO、NO2二者混合物与水反应生成亚硝酸，反应方程式为NO+NO2+H2O=2HNO2；亚硝酸再与尿素反应生成CO2和N2，反应方程式为CO （NH2）2+2HNO2=CO2+2N2+3H2O．
NO+NO2 ～2HNO2 ～CO（NH2）2
（30+46）g 1mol
1mol尿素能吸收工业尾气中氮氧化物（假设NO、NO2体积比为1：1）的质量为76g，故答案为：76；
氨气是工农业生产中重要的产品，合成氨并综合利用的某些过程如图所示：
（1）原料气中的氢气来源于水和碳氢化合物．请写出甲烷和水在催化剂和高温条件下反应的方程式：______．
（2）在工业生产中，设备A的名称为______，A中发生的化学反应方程式是______．
（3）上述生产中向母液通入氨气同时加入______，可促进副产品氯化铵的析出．长期使用氯化铵会造成土壤酸化，尿素适用于各种土壤，在土壤中尿素发生水解，其水解的化学方程式是______．
（4）纯碱在生产生活中有广泛的应用，请写出任意两种用途：______．
（5）图中所示工业制法获得的纯碱中常含有NaCl杂质，用下述方法可以测定样品中NaCl的质量分数．
样品m
①检验沉淀是否洗涤干净的方法是______．
②样品中NaCl的质量分数的数学表达式为______．
正确答案
解：（1）依据题给的信息，甲烷与水在高温催化剂作用下生成二氧化碳（或一氧化碳）和氢气，故化学反应方程式为：CH4+2H2O 
故答案为：CH4+2H2O 
（2）在生产中，设备A中应生成目标产物纯碱，故A为沉淀池，发生的反应为：NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓，
故答案为：沉淀池；NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓；
（3）副产物为氯化铵，需要引入氯离子，且目标产物为纯碱，故在通入氨气的同时，加入NaCl，尿素的水解生成氨气和二氧化碳，故反应为：CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑，
故答案为：NaCl；CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑；
（4）纯碱在日常生活中应用广泛，常用于制玻璃、制肥皂、造纸、纺织、印染等，
故答案为：制玻璃、制肥皂；
（5）①检验沉淀是否洗净的方法为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净；若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净，
故答案为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净，若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净；
②生成ng固体为BaCO3，其物质的量为：
故氯化钠的质量为（m-
故答案为：（1-
解析
解：（1）依据题给的信息，甲烷与水在高温催化剂作用下生成二氧化碳（或一氧化碳）和氢气，故化学反应方程式为：CH4+2H2O
故答案为：CH4+2H2O
（2）在生产中，设备A中应生成目标产物纯碱，故A为沉淀池，发生的反应为：NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓，
故答案为：沉淀池；NH3+CO2+H2O+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓；
（3）副产物为氯化铵，需要引入氯离子，且目标产物为纯碱，故在通入氨气的同时，加入NaCl，尿素的水解生成氨气和二氧化碳，故反应为：CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑，
故答案为：NaCl；CO（NH2）2+H2O=2NH3↑+CO2↑；
（4）纯碱在日常生活中应用广泛，常用于制玻璃、制肥皂、造纸、纺织、印染等，
故答案为：制玻璃、制肥皂；
（5）①检验沉淀是否洗净的方法为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净；若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净，
故答案为：往少量的最后一次洗涤所得滤液中加入稀H2SO4溶液（或AgNO3溶液），若产生白色沉淀，则沉淀没有洗涤干净，若无白色沉淀，则沉淀已洗涤干净；
②生成ng固体为BaCO3，其物质的量为：
故氯化钠的质量为（m-
故答案为：（1-
硝酸是一种重要的工业原料，工业制硝酸的关键是氨的催化氧化，与硝酸工业相关的过程中产生的氮氧化物的处理与应用也是科学研究的热点．I．甲、乙分别是实验室模拟合成氨及氨催化氧化的装置
（1）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有控制气体流速、______．
（2）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，铂丝保
持红热的原因是______，写出乙装置中氨氧化的化学方程式______．反应结束后锥形瓶内的溶
液中含有H+、OH-、______、______ 离子．
II．工业生产硝酸的尾气中含有氮氧化物NOx（NO和NO2的混合物，假设不含N2O4），对生态环境和人类健康带来较大的威胁．
（1）工业上常用Na2CO3溶液吸收法处理NOx．
已知：NO不能与Na2CO3溶液反应
①NO+NO2+Na2CO3=2NaNO2+CO2
②2NO2+Na2CO3=NaNO2+NaNO3+CO2
当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，x的值不可能是______ （填字母）．
A．1.3 B．1.6 C．1.8
（2）尿素也可用于吸收处理NOx，其反应原理为：
NO+NO2+H2O=2HNO2
2HNO2+CO（NH2）2=2N2↑+CO2↑+3H2O．
当混合气体中NO、NO2按上述反应中系数比时吸收效果最佳．若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可通入一定量的空气，同温同压下，V（空气）：V（NO）=______ （空气中氧气的体积含量约为20%）．
正确答案
解：I．（1）浓硫酸具有吸水性，可用于干燥气体，故答案为：干燥混合气体；
（2）氨气在被氧化生成NO，为放热反应，反应的方程式为4NH3+5O2
故答案为：反应为放热反应；4NH3+5O2
Ⅱ．（1）当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，则n（NO2）≥n（NO），NO含量越少，x值越小，而（NO2）=n（NO），x值最小，x=
故选A；
（2）若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可设NO为5mol，NO2为1mol，为使气体被完全吸收，应满足NO为3mol，NO2为3mol，则需反应2molNO生成NO2，
由方程式2NO+O2=2NO2可知，需要1molO2，又空气中氧气的体积含量约为20%，则需要5mol空气，
所以V（空气）：V（NO）=5：5=1：1，
故答案为：1：1．
解析
解：I．（1）浓硫酸具有吸水性，可用于干燥气体，故答案为：干燥混合气体；
（2）氨气在被氧化生成NO，为放热反应，反应的方程式为4NH3+5O2
故答案为：反应为放热反应；4NH3+5O2
Ⅱ．（1）当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，则n（NO2）≥n（NO），NO含量越少，x值越小，而（NO2）=n（NO），x值最小，x=
故选A；
（2）若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可设NO为5mol，NO2为1mol，为使气体被完全吸收，应满足NO为3mol，NO2为3mol，则需反应2molNO生成NO2，
由方程式2NO+O2=2NO2可知，需要1molO2，又空气中氧气的体积含量约为20%，则需要5mol空气，
所以V（空气）：V（NO）=5：5=1：1，
故答案为：1：1．
（1）氨分子的电子式为______，氮元素原子最外层电子排布的轨道表示式是______．
（2）在一容积为2L的密闭容器内加入0.2mol的N2和0.6mol的H2，在一定条件下发生如下反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），反应中NH3的物质的量浓度的变化情况如图：
根据上图，计算从反应开始到平衡时，氢气的平均反应速率为______．
（3）催化剂存在下，NH3可用来消除NO的污染，生成两种对环境无害的物质．写出反应的化学方程式：______；该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为______．
（4）pH相同的氨水和氢氧化钠溶液，分别用蒸馏水稀释至原来体积的m倍和n倍，稀释后两溶液的pH仍相同，则m______n（填“＞”、“＜”或“=”）；
（5）氯碱工业的原料饱和食盐水中含有一定量的铵根离子，在电解时会生成性质极不稳定的三氯化氮，易引起爆炸．为除去饱和食盐水中的铵根离子，可在碱性条件下通入氯气，反应生成氮气．该反应的离子方程式为______．该工艺选择氯气的优点是______．（答出一点即可）
正确答案
解：（1）氨气是氮原子和氢原子之间通过共价键形成的共价化合物，电子式为：
故答案为：
（2）根据图象分析平衡时氨气的浓度为0.1mol/L，时间为4min，所以依据速率之比等于系数之比得到：v（H2）=
（3）NH3可用来消除NO的污染，生成2种对环境无害的物质，应生成氮气和水，反应的方程式为4NH3+6NO
（4）一水合氨是弱电解质，氢氧化钠是强电解质，加水稀释过程中，促进氨水电离，导致氨水中n（OH-）增大，而氢氧化钠中n（OH-）不变，要使稀释后两种溶液的pH同，则溶液体积关系为：氨水＞氢氧化钠，所以m＞n，
故答案为：＞；
（5）电解后的碱性溶液是氢氧化钠溶液，生成物是氮气、氯化钠、水．反应的离子方程式为：3Cl2+2NH4++8OH-═N2↑+6Cl-+8H2O；利用这种方法的优点很多，例如可以实现原料的再利用，环境污染程度降低等，利用废液作原料，变废为宝；或利用本厂生产的产品作原料，降低生产成本；或将NH4Cl杂质转化为N2，对环境无污染；
故答案为：3Cl2+2NH4++8OH-=N2↑+6Cl-+8H2O；就近取材，利用氯碱工业的产品氯气为原料（不会引入其他杂质离子）．
解析
解：（1）氨气是氮原子和氢原子之间通过共价键形成的共价化合物，电子式为：
故答案为：
（2）根据图象分析平衡时氨气的浓度为0.1mol/L，时间为4min，所以依据速率之比等于系数之比得到：v（H2）=
（3）NH3可用来消除NO的污染，生成2种对环境无害的物质，应生成氮气和水，反应的方程式为4NH3+6NO
（4）一水合氨是弱电解质，氢氧化钠是强电解质，加水稀释过程中，促进氨水电离，导致氨水中n（OH-）增大，而氢氧化钠中n（OH-）不变，要使稀释后两种溶液的pH同，则溶液体积关系为：氨水＞氢氧化钠，所以m＞n，
故答案为：＞；
（5）电解后的碱性溶液是氢氧化钠溶液，生成物是氮气、氯化钠、水．反应的离子方程式为：3Cl2+2NH4++8OH-═N2↑+6Cl-+8H2O；利用这种方法的优点很多，例如可以实现原料的再利用，环境污染程度降低等，利用废液作原料，变废为宝；或利用本厂生产的产品作原料，降低生产成本；或将NH4Cl杂质转化为N2，对环境无污染；
故答案为：3Cl2+2NH4++8OH-=N2↑+6Cl-+8H2O；就近取材，利用氯碱工业的产品氯气为原料（不会引入其他杂质离子）．
化学肥料在农业生产中具有重要的作用，关系着农业生产是否丰收．化学肥料在农业生产中的广泛应用，为化学肥料的大规模工业生产提供了舞台．
（1）在合成氨的设备（合成塔）中，设置热交换器的目的是______．
（2）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，一般可采用下列两种方法处理．
碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O 氨还原法：8NH3+6NO2
请从绿色化学的角度分析两种方法的优劣：______．
（3）某化肥厂用NH3制备NH4NO3．已知：由NH3制NO的产率是96%，NO制HNO3的产率是92%，则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗用NH3质量（不考虑其他损耗）的______%．
（4）硝酸铵是一种常用的氮肥，在贮存和使用该化肥时，把应注意的事项及理由填入下表（填两条应注意的事项及理由即可）．
正确答案
解：（1）化氧化设备中设置热交换器，把不同温度之间的气体进行热交换，可预热反应气体，余热利用可起到充分利用能源的目的；故答案为：利用余热，节约能源；（2）碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O，NH3还原法：8NH3+6NO2
故答案为：碱液吸收法要消耗大量的NaOH，同时产生有毒的NaNO2；NH3还原法不消耗贵重原料，且产物无污染，N2又可做合成NH3的原料气；
（3）由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%，
根据氮原子守恒可知，
NH3～NO～HNO3，
则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%×92%=0.8832mol，
由HNO3+NH3═NH4NO3，
则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8832mol，
氨气的质量之比等于物质的量之比，
则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为
故答案为：53.1；
（4）由于硝酸铵受撞击时易爆炸，因此硝酸铵不能与易燃物混放；不能用铁锤等物将结块的硝酸铵砸碎；不能受到严重撞击；铵盐水解显酸性不能和水解显碱性的草木灰混合使用，硝酸铵是易溶于水的物质易在土壤中流失；
①不能与碱性肥料混施 硝酸铵溶液呈碱性；②不能剧烈撞击 硝酸铵易爆炸；
故答案为：①不能与碱性肥料混施 硝酸铵溶液呈碱性；②不能剧烈撞击 硝酸铵易爆炸．
解析
解：（1）化氧化设备中设置热交换器，把不同温度之间的气体进行热交换，可预热反应气体，余热利用可起到充分利用能源的目的；故答案为：利用余热，节约能源；（2）碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O，NH3还原法：8NH3+6NO2
故答案为：碱液吸收法要消耗大量的NaOH，同时产生有毒的NaNO2；NH3还原法不消耗贵重原料，且产物无污染，N2又可做合成NH3的原料气；
（3）由NH3制NO的产率是96%、NO制HNO3的产率是92%，
根据氮原子守恒可知，
NH3～NO～HNO3，
则1mol氨气可得到硝酸1mol×96%×92%=0.8832mol，
由HNO3+NH3═NH4NO3，
则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8832mol，
氨气的质量之比等于物质的量之比，
则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量的百分数为
故答案为：53.1；
（4）由于硝酸铵受撞击时易爆炸，因此硝酸铵不能与易燃物混放；不能用铁锤等物将结块的硝酸铵砸碎；不能受到严重撞击；铵盐水解显酸性不能和水解显碱性的草木灰混合使用，硝酸铵是易溶于水的物质易在土壤中流失；
①不能与碱性肥料混施 硝酸铵溶液呈碱性；②不能剧烈撞击 硝酸铵易爆炸；
故答案为：①不能与碱性肥料混施 硝酸铵溶液呈碱性；②不能剧烈撞击 硝酸铵易爆炸．
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