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简答题

某企业生产氨气的流程如下:(已知送入合成塔的氮气和氢气的体积比为1:4)

请回答下列问题:

(1)操作①的名称是______,操作④发生的是______变化(选填物理或化学).

(2)写出②的化学方程式______

(3)检验合成塔中出来的气体中含有氨气的方法是______

(4)下列变化过程属于氮的固定的是______

A.由氮气合成氨                      B.由氨制氯化铵

C.雷雨天气由氮气得硝酸盐            D.碳酸氢铵受热分解

(5)试写出合成塔中发生反应的化学方程式______

(6)若达平衡后从合成塔出来的高温高压气体中仅含体积分数为25%的氨气,则氮气的转化率为______,从混合气中分离出氨气的措施是______,分离出的氮气和氢气则重新回到合成塔中.

正确答案

解:(1)煤的干馏是指煤在隔绝空气的条件下加热,生成煤焦油、焦炭、焦炉煤气等物质,所以操作①的名称是干馏;液态空气中不同的物质沸点不同分离出氮气,所以操作④的名称为蒸馏,属于物理变化,故答案为:煤的干馏;蒸馏;

(2)碳与水蒸气高温生成水煤气,其反应方程式为C+H2OCO+H2,故答案为:C+H2OCO+H2

(3)氨气为碱性气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色,故答案为:用润湿的红色石蕊试纸靠近气体,若试纸变蓝,则说明含有氨气;

(4)将游离态的氮转化为化合态的氮的过程,叫做氮的固定,

A.由氮气合成氨,氮元素由游离态转化为化合态,属于氮的固定,故A正确;

B.由氨制氯化铵,不属于氮的固定,故B错误;

C.雷雨天气由氮气得硝酸盐,氮元素由游离态转化为化合态,属于氮的固定,故C正确;

D.碳酸氢铵受热分解,不属于氮的固定,故D错误;

故答案为:AC.

(5)在合成塔中,氮气和氢气可以合成氨气,即N2+3H2 2NH3,故答案为:N2+3H2 2NH3

(6)设投料时N2的体积为a,H2的为4a,转化的N2为x,

          N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

起始(mol)a      4a        0

转化(mol)x      3x       2x

平衡(mol)a-x   4a-3x     2x

体积分数为25%的氨气,则=25%,x=0.5a,

则转化率为×100%=50%,氨气易液化,所以从混合气中分离出氨气的操作是降温,

故答案为:50%;降温.

解析

解:(1)煤的干馏是指煤在隔绝空气的条件下加热,生成煤焦油、焦炭、焦炉煤气等物质,所以操作①的名称是干馏;液态空气中不同的物质沸点不同分离出氮气,所以操作④的名称为蒸馏,属于物理变化,故答案为:煤的干馏;蒸馏;

(2)碳与水蒸气高温生成水煤气,其反应方程式为C+H2OCO+H2,故答案为:C+H2OCO+H2

(3)氨气为碱性气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝色,故答案为:用润湿的红色石蕊试纸靠近气体,若试纸变蓝,则说明含有氨气;

(4)将游离态的氮转化为化合态的氮的过程,叫做氮的固定,

A.由氮气合成氨,氮元素由游离态转化为化合态,属于氮的固定,故A正确;

B.由氨制氯化铵,不属于氮的固定,故B错误;

C.雷雨天气由氮气得硝酸盐,氮元素由游离态转化为化合态,属于氮的固定,故C正确;

D.碳酸氢铵受热分解,不属于氮的固定,故D错误;

故答案为:AC.

(5)在合成塔中,氮气和氢气可以合成氨气,即N2+3H2 2NH3,故答案为:N2+3H2 2NH3

(6)设投料时N2的体积为a,H2的为4a,转化的N2为x,

          N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

起始(mol)a      4a        0

转化(mol)x      3x       2x

平衡(mol)a-x   4a-3x     2x

体积分数为25%的氨气,则=25%,x=0.5a,

则转化率为×100%=50%,氨气易液化,所以从混合气中分离出氨气的操作是降温,

故答案为:50%;降温.

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工业合成氨的主要反应为:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(放热反应).下图是工业上合成氨的简要流程示意图,回答下列问题:

①上述流程示意图中的催化剂是______

②热交换器的作用是______(选填编号).

a.提高N2的转化率      b.充分利用能源,降低成本      c.提高产物的产率

③沿X路线进入压缩机的物质是未反应的N2和H2,循环的目的是______

④写出一种以氨为原料生产的氮肥______

正确答案

解:①工业合成氨的催化剂是铁触媒或铁,故答案为:铁触媒或铁;

②热交换器的作用是充分利用反应的热量,利用能源,降低成本,故答案为:b;

③未反应的N2和H2,可以循环使用,这样循环可以提高原料气的利用率,故答案为:提高原料气的利用率;

④合成尿素或硝酸铵或碳酸氢铵必须以氨气为原料,故答案为:尿素或硝酸铵或碳酸氢铵.

解析

解:①工业合成氨的催化剂是铁触媒或铁,故答案为:铁触媒或铁;

②热交换器的作用是充分利用反应的热量,利用能源,降低成本,故答案为:b;

③未反应的N2和H2,可以循环使用,这样循环可以提高原料气的利用率,故答案为:提高原料气的利用率;

④合成尿素或硝酸铵或碳酸氢铵必须以氨气为原料,故答案为:尿素或硝酸铵或碳酸氢铵.

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简答题

氨是最重要的氮肥,是产量最大的化工产品之一.课本里介绍的合成氨技术叫哈伯法,是德国人哈伯在1905年发明的,其合成原理为:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g);△H<0他因此获得了1918年诺贝尔化学奖.工业上合成氨的部分工艺流程如图1:

反应体系中各组分的部分性质见下表:

(1)合成氨反应的平衡常数很小,所以在工业上采取气体循环的流程.即反应后通过把混合气体的温度降低到______使混合气体分离出来产品;继续循环的气体是______.写出该反应的化学平衡常数表达式:K=______

(2)运用化学反应速率和化学平衡的观点说明工业上采取用上述实际生产措施的理由:______

(3)已知拆开1molH-H键,1molN-H键,1molN≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ,则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为______

(4)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义.对于密闭容器中的反应:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),673K,30MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图2所示.下列叙述正确的是______

A.点a的正反应速率比点b的大

B.点 c处反应达到平衡

C.点d(t1时刻) 和点 e (t2时刻) 处n(N2)不一样

D.其他条件不变,773K下反应至t1时刻,n(H2)比图2中d点的值大

(5)1998年希腊亚里斯多德大学的Marmellos和Stoukides采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H+),实现了高温常压下高转化率的电化学合成氨.其实验装置如图3.阴极的电极反应式______

正确答案

解:(1)氨气的沸点是-33.42,可以将温度降低到-33.42,氨气液化,转变成液体分离出来,氢气和氮气可以再循环利用,平衡常数表达式为:,故答案为:-33.42;N2、H2

(2)生成物的浓度减少,平衡正向移动,所以及时分离出氨气,平衡正向移动,提高氨气的产率;循环利用氮气和氢气,提高氮气和氢气的转化率,

故答案为:及时分离出氨气,平衡正向移动,提高氨气的产率,且循环利用氮气和氢气,提高氮气和氢气的转化率;

(3)拆开1mol H-H键,1mol N-H键,1mol N≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ,化学方程式为N2+3H2⇌2NH3,依据化学方程式计算反应热为946kJ/mol+3×436kJ/mol-6×391kJ/mol=-92KJ/mol,反应的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1

故答案为:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1

(4)A、随着反应的进行,反应物的浓度之间减小,反应速率逐渐减小,则a点的正反应速率比b点大,故A正确;

B、c点反应物和生成物物质的量仍在变化,没有达到平衡状态,故B错误;

C、d点和e点都处于平衡状态,n(N2)不变,d点和e点n(N2)相等,故C错误;

D、该反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,所以平衡时氢气的物质的量比d点的值大,故D正确;

故答案为:AD;

(5)阴极发生还原反应,氮气在阴极上放电,与氢离子结合生成氨气,电极反应式为N2+6e-+6H+=2NH3,故答案为:N2+6e-+6H+=2NH3

解析

解:(1)氨气的沸点是-33.42,可以将温度降低到-33.42,氨气液化,转变成液体分离出来,氢气和氮气可以再循环利用,平衡常数表达式为:,故答案为:-33.42;N2、H2

(2)生成物的浓度减少,平衡正向移动,所以及时分离出氨气,平衡正向移动,提高氨气的产率;循环利用氮气和氢气,提高氮气和氢气的转化率,

故答案为:及时分离出氨气,平衡正向移动,提高氨气的产率,且循环利用氮气和氢气,提高氮气和氢气的转化率;

(3)拆开1mol H-H键,1mol N-H键,1mol N≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946kJ,化学方程式为N2+3H2⇌2NH3,依据化学方程式计算反应热为946kJ/mol+3×436kJ/mol-6×391kJ/mol=-92KJ/mol,反应的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1

故答案为:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1

(4)A、随着反应的进行,反应物的浓度之间减小,反应速率逐渐减小,则a点的正反应速率比b点大,故A正确;

B、c点反应物和生成物物质的量仍在变化,没有达到平衡状态,故B错误;

C、d点和e点都处于平衡状态,n(N2)不变,d点和e点n(N2)相等,故C错误;

D、该反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,所以平衡时氢气的物质的量比d点的值大,故D正确;

故答案为:AD;

(5)阴极发生还原反应,氮气在阴极上放电,与氢离子结合生成氨气,电极反应式为N2+6e-+6H+=2NH3,故答案为:N2+6e-+6H+=2NH3

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工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应:

N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),△H=-92.44kJ/mol;其部分工艺流程如下:

反应体系中各组分的部分性质见下表:

回答下列问题:

(1)写出该反应的化学平衡常数表达式:K=______.随着温度的升高,K值______(填增大、减小、不变).

(2)平衡常数K值越大,表明______(填序号).

A.N2的转化率越高                 B.NH3的产率越大

C.原料中N2的含量越高             D.化学反应速率越快

(3)合成氨反应的平衡常数很小,所以在工业上采取气体循环的流程.即反应后通过把混合气体的温度降低到______使______分离出来;继续循环的气体是______

正确答案

解:(1)平衡常数K==,根据反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),△H=-92.44kJ/mol,可知反应是放热反应,随着温度的升高,K减小,故答案为:;减小;

(2)平衡常数K值越大,说明化学方应向右进行的彻底,反应物的转化率越高,生成物NH3的产率越大,故选AB;

(3)根据题意可知氨气的沸点是-33.42,可以将温度降低到-33.42,让氨气分离出来,氢气和氮气可以再循环利用,故答案为:-33.42;NH3;N2、H2

解析

解:(1)平衡常数K==,根据反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),△H=-92.44kJ/mol,可知反应是放热反应,随着温度的升高,K减小,故答案为:;减小;

(2)平衡常数K值越大,说明化学方应向右进行的彻底,反应物的转化率越高,生成物NH3的产率越大,故选AB;

(3)根据题意可知氨气的沸点是-33.42,可以将温度降低到-33.42,让氨气分离出来,氢气和氮气可以再循环利用,故答案为:-33.42;NH3;N2、H2

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氨是一种重要的化工原料,在工农业生产中有很多重要应用

I.工业合成氨的流程示意图如图1:回答下列问题:

(1)设备A中含有电加热器、触媒和热交换器,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______

II.制碱工业主要有“氨碱法”和“联合制碱法”两种工艺,氨碱法的工艺如图2所示:

(4)图中的中间产物C是______,D______.(写化学式);

(5)碳酸化塔中发生反应的化学方程式为______

(6)联合制碱法对氨碱法进行了改进,更加符合绿色化学的重要原则,提高了反应的原子利用率.根据“联合制碱法”总反应,列出计算原子利用率的表达式:原子利用率(%)=______

正确答案

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  2NH3;碳和水蒸气反应方程式:C+H2 CO+H2;甲烷和水蒸气反应方程式:CH4+H2O   CO+H2

故答案为:合成塔;N2+3H2 2NH3;C+H2O CO+H2;CH4+H2O CO+H2

(2)混合气体进入冷却塔冷凝,冷凝水从下口进入上口排除,逆向冷凝效果更好,

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理气体分离,

故答案为:在分离塔内将液氨和未反应的原理气体分离;

(4)碳酸钙分解生成生石灰,生石灰与水反应生成氢氧化钙,氯化铵和氢氧化钙反应生成氯化钙和氨气和水,

故答案为:Ca(OH)2;NH3

(5)二氧化碳、氨气、氯化钠溶液在碳酸化塔中发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵方程式为:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl,

故答案为:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl;

(6)根据方程式:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl得:原子利用率==×100%,

故答案为:×100%.

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  2NH3;碳和水蒸气反应方程式:C+H2 CO+H2;甲烷和水蒸气反应方程式:CH4+H2O   CO+H2

故答案为:合成塔;N2+3H2 2NH3;C+H2O CO+H2;CH4+H2O CO+H2

(2)混合气体进入冷却塔冷凝,冷凝水从下口进入上口排除,逆向冷凝效果更好,

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理气体分离,

故答案为:在分离塔内将液氨和未反应的原理气体分离;

(4)碳酸钙分解生成生石灰,生石灰与水反应生成氢氧化钙,氯化铵和氢氧化钙反应生成氯化钙和氨气和水,

故答案为:Ca(OH)2;NH3

(5)二氧化碳、氨气、氯化钠溶液在碳酸化塔中发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵方程式为:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl,

故答案为:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl;

(6)根据方程式:NH3+CO2+H2O+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl得:原子利用率==×100%,

故答案为:×100%.

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