- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
（1）合成塔中发生反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0）．下表为不同温度下该反应的平衡常数．
由此可推知，表中：T2______300℃（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）NH3和O2在铂系催化剂作用下从145℃就开始反应：
4NH3（g）+5O2（g）⇌4NO（g）+6H2O（g）+905kJ，不同温度下NO气体的产率如图所示．温度高于900℃时，NO气体产率下降的原因是______．
（3）吸收塔中反应为：3NO2+H2O⇌2HNO3+NO．从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是______．
（4）硝酸厂的尾气含有氮氧化物，不经处理直接排放将污染空气．目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮氧化物还原为氮气和水，其反应机理为：
CH4（g）+4NO2（g）→4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）+574kJ；
CH4（g）+4NO（g）→2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）+1160kJ．
则1mol甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：______．
正确答案
＜
温度高于900℃时，平衡向左移动
充入空气，NO转化为NO2，有利于提高原料利用率
CH4（g）+2NO2（g）=CO2（g）+N2（g）△H=+867kJ/mol
解析
解：（1）根据N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）+Q（Q＞0），知道反应是放热反应，温度越高，平衡常数越小，所以T2＜300℃，故答案为：＜；
（2）温度在900℃时，反应达到平衡状态，温度高于900℃时，即升高温度，平衡向吸热方向，即向左移动，故答案为：温度高于900℃时，平衡向左移动；
（3）吸收塔中需要补充空气，可以让NO转化为NO2，提高原料利用率，故答案为：充入空气，NO转化为NO2，有利于提高原料利用率；
（4）已知：①CH4（g）+4NO2（g）→4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）+574kJ；
②CH4（g）+4NO（g）→2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）+1160kJ．
甲烷直接将NO2还原为N2的化学方程式：CH4+2NO2=CO2+N2，可以有
联合生产是实现节能减排的重要措施，工业上合成氨和硝酸的联合生产具有重要的意义．下面是工业上合成氨的简易流程：
（1）设备A中含有电加热器，触媒和热交换器，设备A的名称是______，其中发生的化学反应方程式为______；
（2）设备B的名称是______，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是______；
（3）设备C的作用是______．
（4）原料气中往往含有CO等杂质，在进行反应前要先净化，净化的原因是______．
（5）氮气和氢气的混合气体通过压缩机压缩的原因是______．
（6）生产出来的NH3可以用来生产硝酸．在制备硝酸的过程中，由于二氧化氮不能一次性被水完全吸收，因此生成的气体须经过多次氧化、吸收的循环操作，使其充分转化为硝酸（不考虑生产过程中的其它损失）．
①从理论上分析，要使氨气完全转化为硝酸，则原料中氧气和氨气物质的量的投料比至少为______．
②如果按理论上的原料比将原料放在特定条件的密闭容器中进行反应，所有物质不与外界交换，则最后所得溶液的质量分数为______．（保留三位有效数字）
正确答案
解析
解：（1）氮气和氢气经过压缩、除油后进入合成塔合成氨气，所以A为合成塔；工业合成氨中合成塔中的反应为：氮气和氢气在高温高压条件下生成氨气，反应方程式为：N2+3H2
故答案为：合成（氨）塔；N2+3H2
（2）从合成塔出来的气体温度较高，需要先降温再吸收，则B为冷却塔（或冷凝器）；一元高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好，所以入水口为n，
故答案为：冷却塔（或冷凝器）；n；高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好；
（3）设备C是分离塔，将生成的液态氨气与未反应的原料气分离，氨气不断被液化分离，减小氨气的浓度，促使平衡不断正向移动，提高原料的利用率，
故答案为：分离液氨和未反应的原料气；
（4）原料气中的H2S、CO、CO2等杂质容易造成催化剂中毒，降低催化效果，所以必须将原料气中往往含有的H2S、CO、CO2等杂质除去，防止催化剂中毒，
故答案为：防止催化剂中毒；
（5）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，
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；
（6）①由4NH3+5O2
故答案为：1：2；
②由4NH3+5O2
故答案为：77.8%．
德国人弗里茨•哈伯（Fritz Haber）由于发明了合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖，他的发明大大提高了农作物的产量同时也提高了硝酸、炸药的产量．下列说法中正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A．工业合成氨的条件：N2和H2在高温、高压、催化剂的条件下合成氨，在点燃或光照条件下不可合成氨，故A错误；
B．硝酸也是共价化合物，故B错误；
C．氨气遇到浓盐酸挥发出氯化氢发生反应生成氯化铵，产生白烟，故C正确；
D．由氨制取硝酸过程：①4NH3+5O2=4NO+6H2O，②2NO+O2=2NO2，③3NO2+H2O=2HNO3+NO，氮元素的化合价在升高，被氧化，故D错误；
故选C．
1902年德国化学家哈博研究出合成氨的方法，其反应原理为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）；△H（△H＜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：H2SO4=H++HSO4-； HSO4-⇌H++SO42-：K=1.2×10-2NH3•H2O：K=1.8×10-5
（3）如图甲表示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：______（保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图乙坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从常温下通入原料气开始，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（只答一种即可）：______．
正确答案
解析
解：（1）NH4HS为离子化合物，其电子式是
；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的电离程度Ki2=1.2×10-2，0.1mol/L的硫酸氢铵溶液中氢离子浓度约为：0.1mol/L×1.2×10-2=1.2×10-3×mol/L，而氯化铵是铵根离子部分水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性大于同浓度的氯化铵，
故答案为：NH4HSO4；HSO4-有较大程度的电离，使溶液呈较强酸性，而NH4Cl只是NH4+水解呈弱酸性；
（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：
故答案为：
（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．
（2014秋•盐城期中）最近美国化学家借助太阳能产生的电能和热能，用空气和水作原料成功地合成了氨气．下列有关说法正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、氨气是非电解质，故A错误；
B、空气中的氮气转化为氨气的过程是氮的固定过程，故B错误；
C、空气、水、太阳能均是可以自己不断再生的物质，为可再生资源，故C正确；
D、断裂N2中的N≡N键需要吸收能量，故D错误．
故选C．
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