- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
工业上制取硝酸铵的流程图如下，请回答下列问题．
（1）合成氨的工业设备名称是______，设备中设置热交换器的目的是______；此生产过程中，N2与H2合成NH3所用的催化剂是______；生产中原料气必须进行脱硫，目的是______．
（2）1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下：
●-●、○-○、
（3）吸收塔中反应为______；从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是______．
（4）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下三种方法处理：
方法一：碱液吸收法：NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O；2NO2+Na2CO3=NaNO2+NaNO3+CO2；
方法二：NH3还原法：8NH3+6NO2 7N2+12H2O（NO也有类似的反应）
方法三：甲烷吸收法：CH4（g）+2NO2（g）=CO2（g）+N2（g）+2H2O（g）△H=+867kJ•mol-1（NO也有类似的反应）．
上述三种方法中方法一最大的缺点是______；方法三和方法二相比，优点是______，缺点是______．
（5）某化肥厂用NH3制备NH4NO3．已知：由NH3制NO的产率是94%、NO制HNO3的产率是89%，则制HNO3所用去的NH3的质量占总耗NH3质量（不考虑其它损耗）的______%．
正确答案
解：（1）合成氨的工业设备是合成塔；合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；N2与H2合成NH3所用的催化剂是铁砂网；生产中原料气必须进行脱硫可以防止催化剂中毒；
故答案为：合成塔；利用余热，节约能源；铁砂网；防止催化剂中毒；
（2）图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面，即N2、H2被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子，即在催化剂表面N2、H2中的化学键断裂生成N原子和H原子；
故答案为：N2、H2被吸附在催化剂表面；在催化剂表面N2、H2中的化学键断裂；
（3）在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸，反应的化学方程式为4NO+3O2+2H2O=4HNO3；
故答案为：4NO+3O2+2H2O=4HNO3；使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（4）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO2一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，节约成本；缺点是方法三的反应热为+867kJ•mol-1，耗能较高；
故答案为：单独的NO不能被吸收；甲烷比氨价格便宜；耗能高；
（5）由NH3制NO的产率是94%、NO制HNO3的产率是89%，根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，则1mol氨气可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO3+NH3═NH4NO3，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8366mol，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：54.4．
解析
解：（1）合成氨的工业设备是合成塔；合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；N2与H2合成NH3所用的催化剂是铁砂网；生产中原料气必须进行脱硫可以防止催化剂中毒；
故答案为：合成塔；利用余热，节约能源；铁砂网；防止催化剂中毒；
（2）图②中两种双原子分子被吸附在催化剂表面，即N2、H2被吸附在催化剂表面；③中分子中的化学键断裂生成原子，即在催化剂表面N2、H2中的化学键断裂生成N原子和H原子；
故答案为：N2、H2被吸附在催化剂表面；在催化剂表面N2、H2中的化学键断裂；
（3）在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸，反应的化学方程式为4NO+3O2+2H2O=4HNO3；
故答案为：4NO+3O2+2H2O=4HNO3；使NO循环利用，全部转化为硝酸；
（4）方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收，只能与NO2一起被碱液吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，节约成本；缺点是方法三的反应热为+867kJ•mol-1，耗能较高；
故答案为：单独的NO不能被吸收；甲烷比氨价格便宜；耗能高；
（5）由NH3制NO的产率是94%、NO制HNO3的产率是89%，根据氮原子守恒可知，NH3～NO～HNO3，则1mol氨气可得到硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol，由HNO3+NH3═NH4NO3，则该反应消耗的氨气的物质的量为0.8366mol，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：54.4．
工业合成氨是利用氮气和氢气在一定条件下反应生成的．氨是重要的工业原料．请回答下列问题：
（1）氮元素在周期表中的位置是______；氮原子结构示意图为______；
（2）写出氨分子的电子式______；指出分子中化学键是______（填‘离子键’或‘共价键’）．
（3）写成合成氨的化学方程式：______；该反应是放热反应，则相同条件下“1molN2和3molH2”的能量与“2molNH3”的能量较高的是______．
正确答案
解：（1）氮元素是7号元素，原子结构示意图为
故答案为：第2周期ⅤA族；
（2）氨分子的分子式为NH3，氮与氢原子之间通过共价键结合，电子式为
（3）氮气与氢气在高温高压催化剂条件下合成氨，方程式为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2
解析
解：（1）氮元素是7号元素，原子结构示意图为
故答案为：第2周期ⅤA族；
（2）氨分子的分子式为NH3，氮与氢原子之间通过共价键结合，电子式为
（3）氮气与氢气在高温高压催化剂条件下合成氨，方程式为：N2+3H2
故答案为：N2+3H2
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）+Q（Q＞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：Ki2=1.2×10-2NH3•H2O：Ki=1.8×10-5．
（3）图2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3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：______．
正确答案
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．
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．
硝酸铵在工农业生产和国防中占有极为重要的位置，下面的流程图是硝酸铵的工业生产工艺过程．
根据图回答下列问题：（1）已知N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol．请回答：①在500℃、1.01×105 kPa和铁催化条件下向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，充分反应后，放出的热量小于92.4 kJ，理由：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．降低压强B．最适合催化剂活性的适当高温C．增大压强D．及时移出氨E．循环利用和不断补充氮气（2）氨催化氧化的化学方程式为4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）△H＜0．
该反应的化学平衡常数表达式K=______，当温度升高时，K值______（填“增大”“减小”或“无影响”）．
正确答案
解：（1）①热化学反应中的反应热为N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，因该反应为可逆反应，不能完全转化，而热化学反应中的反应热为物质完全转化时的能量变化，
故答案为：在1.01×105 kPa和298 K条件下，1 mol氮气和3 mol氢气完全反应生成2 mol氨气，放出92.4 kJ热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，所以放出的热量小于92.4 kJ；
②N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，该反应正反应为体积缩小的反应，因增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，增大压强，有利于工业合成氨反应向正反应方向移动，氢气的转化率提高，
故答案为：CDE；
（2）因平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）△H＜0，的化学平衡常数表达式K=
因工业合成氨反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，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：K=
解析
解：（1）①热化学反应中的反应热为N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，因该反应为可逆反应，不能完全转化，而热化学反应中的反应热为物质完全转化时的能量变化，
故答案为：在1.01×105 kPa和298 K条件下，1 mol氮气和3 mol氢气完全反应生成2 mol氨气，放出92.4 kJ热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，所以放出的热量小于92.4 kJ；
②N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，该反应正反应为体积缩小的反应，因增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，增大压强，有利于工业合成氨反应向正反应方向移动，氢气的转化率提高，
故答案为：CDE；
（2）因平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）△H＜0，的化学平衡常数表达式K=
因工业合成氨反应N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4 kJ/mol，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：K=
大约100年前，德国化学家哈伯（F．Haber）开始研究由氮气和氢气合成氨．一种工业合成氨的简易流程图如图1如下：
（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，写出再生反应的化学方程式：______．
（2）工业上可用组成为K2O•M2O3•2RO2•nH2O的无机材料纯化含某些杂质的原料氢气．
已知元素M、R均位于元素周期表中第3周期，两种元素原子的质子数之和为27．R原子核外电子有______种不同运动状态，最外层的p电子有______种自旋方向．
（3）常温下，不能与M单质发生反应的是______（填序号）
a．CuSO4溶液 b．Fe2O3c．浓硫酸 d．NaOH溶液 e．Na2CO3固体
步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
①CH4（g）+H2O（g）⇌CO（g）+3H2（g）-206.4kJ
②CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）+41.2kJ．
（4）对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，又能加快反应速率的措施是______．
a．升高温度 b．增大水蒸气浓度
c．加入催化剂d．降低压强．
（5）利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量．若1mol CO和H2的混合气体（CO的体积分数为20%）与H2O反应，得到1.18mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为______．
（6）依据温度对合成氨反应的影响，在如图2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．
正确答案
解：（1）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，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式为：2NH4HS+O2
故答案为：2NH4HS+O2
（2）①M为+3价，R为+4价，均为第三周期元素，
则M为Al，R为Si，Si的质子数为14，核外有3个电子层，最外层有4个电子，Si的质子数为14，不同电子运动状态不同，最外层电子排布图为：3s23p2，所以3p轨道电子自旋方向相同，故答案为：14；一；
（3）M为Al具有还原性，能与具有氧化性的物质发生反应，如a、c，还能与d中NaOH溶液反应生成氢气，而高温下与氧化铁反应，与碳酸钠不反应，故答案为：be；
（4）反应①CH4（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+3H2（g）△H=+206.4 kJ•mol-1，是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大；
a．反应是吸热反应，升高温度，反应速率增大，平衡正向进行，平衡体系中H2百分含量增大，故a符合；
b．增大水蒸气浓度，平衡正向进行，反应速率增大，但平衡体系中H2百分含量不一定增大，故b不符合；
c．加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡，反应速率增大，氢气百分含量不变，故c不符合；
d．降低压强，反应速率减小，平衡逆向进行，氢气百分含量减小，故d不符合；
故选a；
（5）利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量，若1mol CO和H2的混合气体（CO的体积分数为20%）中 CO为0.2mol，H2的物质的量为0.8mol，与H2O反应，得到1.18mol CO、CO2和H2的混合气体，设转化的一氧化碳的物质的量为x，则：
CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）
起始量（mol） 0.2 0 0.8
变化量（mol） x x x
平衡量（mol）0.2-x x x+0.8
则0.2-x+x+x+0.8=1.18
x=0.18
则CO转化率为
（6）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：
解析
解：（1）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，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式为：2NH4HS+O2
故答案为：2NH4HS+O2
（2）①M为+3价，R为+4价，均为第三周期元素，
则M为Al，R为Si，Si的质子数为14，核外有3个电子层，最外层有4个电子，Si的质子数为14，不同电子运动状态不同，最外层电子排布图为：3s23p2，所以3p轨道电子自旋方向相同，故答案为：14；一；
（3）M为Al具有还原性，能与具有氧化性的物质发生反应，如a、c，还能与d中NaOH溶液反应生成氢气，而高温下与氧化铁反应，与碳酸钠不反应，故答案为：be；
（4）反应①CH4（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+3H2（g）△H=+206.4 kJ•mol-1，是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大；
a．反应是吸热反应，升高温度，反应速率增大，平衡正向进行，平衡体系中H2百分含量增大，故a符合；
b．增大水蒸气浓度，平衡正向进行，反应速率增大，但平衡体系中H2百分含量不一定增大，故b不符合；
c．加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡，反应速率增大，氢气百分含量不变，故c不符合；
d．降低压强，反应速率减小，平衡逆向进行，氢气百分含量减小，故d不符合；
故选a；
（5）利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量，若1mol CO和H2的混合气体（CO的体积分数为20%）中 CO为0.2mol，H2的物质的量为0.8mol，与H2O反应，得到1.18mol CO、CO2和H2的混合气体，设转化的一氧化碳的物质的量为x，则：
CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）
起始量（mol） 0.2 0 0.8
变化量（mol） x x x
平衡量（mol）0.2-x x x+0.8
则0.2-x+x+x+0.8=1.18
x=0.18
则CO转化率为
（6）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：
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