- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：
已知实验室可用饱和亚硝酸钠（NaNO2）溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气．
（1）从图1中选择制取气体的合适装置：氮气______、氢气______
（2）氮气和氢气通过图2甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有______、______
（3）氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨，______（“会”或“不会”）发生倒吸，原因是：______．
（4）写出乙装置中氨催化氧化的化学方程式：______
（5）反应结束后锥形瓶内的溶液中含有H+、OH-、______、______离子．
正确答案
a
b
干燥气体
控制氢气和氮气的流速
不会
因为混合气体中含大量的不溶于水的氮气和氢气
4NH3+5O2
NH4+，
NO3-
解析
解：（1）实验室可用饱和亚硝酸钠（NaNO2）溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气，是溶液与溶液反应，可以选择a，实验室里用金属锌粒和稀硫酸反应制取氢气，是固体和液体反应，可以选择装置b，
故答案为：a；b；
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置中的浓硫酸可以将氮气和氢气干燥，同时可以根据甲装置中冒气泡的速率来控制气体流量，故答案为：干燥气体；控制氢气和氮气的流速；
（3）合成氨的反应为：N2+3H2
（4）根据反应物的性质进行分析，氨的催化氧化生成一氧化氮和水，氨的催化氧化反应为：4NH3+5O2
（5）氨的催化氧化反应产物是一氧化氮和水，一氧化氮极易与空气中的氧气变为二氧化氮，二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，所以硝酸的存在会和氨水反应生成硝酸铵，溶液中会存在H+、OH-、NH4+、NO3-，故答案为：NH4+；NO3-．
现在普遍应用的工业合成氨的方法是哈伯于1905年发明的，但此法反应物的转化率不高．
已知：1mol N2（g）与适量H2（g）完全反应，生成NH3（g），放出92.2kJ热量，写出反应的热化学方程式：______．
（2）若该反应在298K、398K时的化学平衡常数分别为K1、K2，则K1______K2（填“＞”“=”或“＜”）．
（3）在一定温度下，向容积不变（始终为10L）的密闭容器中加入2mol N2、8mol H2及固体催化剂．10分钟后反应达到平衡状态，容器内气体压强变为起始的80%，此时氨气的体积分数为______，用氮气表示的反应速率为：______．若想提高氨气的产率，根据化学平衡移动原理，请提出合理的建议：
______（任意写一条）．
（4）在上述相同条件下，若起始时加入4mol NH3、2mol H2及固体催化剂，反应达到平衡时NH3的体积分数比（3）中______（填“大”、“小”或“相等”）．
（5）氨被氧化生成一氧化氮的化学方程式为：______．
（6）随着对合成氨研究的发展，2001年两位希腊化学家提出了电解合成氨的方法，即在常压下把氢气和用氦气稀释的氮气，分别通入一个加热到570℃的电解池中，采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现了常压、570℃条件下高转化率的电解法合成氨（装置如图）．
请回答：在电解法合成氨的电解池中______（填“能”或“不能”） 用水作电解质溶液的溶剂，原因是______．
钯电极A是电解池的______极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是______．
正确答案
解析
解：（1）根据热化学方程式的含义可得到：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.2kJ•mol-1，
故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.2kJ•mol-1；
（2）此反应正向是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数K减小，所以 K1＞K2，故答案为：＞；
（3）N2（g）+3H2（g）═2NH3（g）
起始浓度：0.2 0.8 0
平衡浓度：0.2-x 0.8-3x 2x
0.2-x+0.8-3x+2x=（0.2+0.8）×80%
解得：x=0.1mol/L，所以v（NH3）=
故答案为：25%；0.01mol/（L•min）；增大氢气浓度（或增大氮气浓度或增大反应物浓度或降温或增大压强或及时转移走生成的氨）；
（4）加入4mol氨气，相当于加2molN2和6molH2，因此加上原有2molH2，就等于加入了2molN2和8molH2，跟3的投料情况一样．按照等效平衡，在恒温恒容条件下，对于体积改变之反应，通过换算，只要与原平衡起始加入量相同，则二者的平衡等效，所以3和4是等效平衡，故答案为：相等；
（5）氨气被氧化方程式：4NH3+5O2
（6）在电解法合成氨的电解池中不能用水作电解质溶液的溶剂，原因是新法合成氨电解池的反应温度是570℃时，水为水蒸气，钯电极A是电解池的阴极，氨气发生氧化反应：N2+6e-+6H+═2NH3
故答案为：不能；新法合成氨电解池的反应温度是570℃时，水为水蒸气；阴； N2+6e-+6H+═2NH3．
氨在工业上有很多重要应用，合成氨的流程示意图如下：
回答下列问题：
（1）设备A中含有电加热器、触煤和热交换器，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______．
正确答案
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 
故答案为：合成塔；N2+3H2 
（2）混合气体进入冷却塔冷凝，冷凝水从下口n进入，从上口m排出，这样通过逆向通水，冷凝效果会更好，
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料气体分离，然后循环利用，提高了原料的利用率，
故答案为：将液氨和未反应的原料气体分离．
利用天然气合成氨的工艺流程示意图如图1所示：
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）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
（3）由KHCO3分解得到的CO2可以用于______（写出CO2的一种重要用途）．
（4）整个流程有三处循环，一是Fe（OH）3循环，二是K2CO3（aq）循环，请在图2中标出上述流程图第三处循环（循环方向、循环物质）．
（5）在一定温度和压强的密闭合成反应器中，H2和N2混合气体平均相对分子质量为8.5，当该反应达到平衡时，测出平衡混合气的平均式量为10，请计算此时H2的转化率（写出计算过程）：______．
正确答案
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）K2CO3（aq）和CO2反应生成碳酸氢钾，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；
（3）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）；
（4）上述流程图第三处循环使用的物质是氮气和氢气，即
（5）设充入气体总量为1mol，氮气为x，则氢气为（1-x）．
则有：28x+2（1-x）=8.5解得：N2：x=0.25mol H2：1mol-0.25mol=0.75mol
又设平衡时N2转化y，则：
N2 +3H2⇌2NH3
起始 0.25mol 0.75mol 0
变化 y 3y 2y
平衡 （0.25-y）mol （0.75-3y）mol 2ymol
则有：
解得：y=0.075mol
则氢气的转化率为：
答：此时H2的转化率为30%．
（2013秋•丰台区期末）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．
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______．
③一定温度下，2L密闭容器中，5mol N2和5mol H2发生反应，达到平衡时，N2的转化率为20%，该温度下反应的平衡常数的数值是______（填字母）．
④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______．
③NH4HSO3显酸性．用氨水吸收SO2，当吸收液显中性时，溶液中离子浓度关系正确的是______（填字母）．
a．c（NH4+）=2c（SO32-）+c（HSO3-）
b．c（NH4+）＞c（SO32-）＞c（H+）=c（OH-）
c．c（NH4+）+c（H+）=c（SO32-）+c（HSO3-）+c（OH-）
（4）氨气是一种富氢燃料，可以直接用于燃料电池，下图是供氨水式燃料电池工作原理如图2：
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______，正极的电极反应方是______．
正确答案
2NH4Cl+Ca（OH）22NH3↑+CaCl2+2H2O
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）=-93.36 kJ/mol
减小
0.5
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
（NH4）2SO3和NH4HSO3
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（OH-）＞（H+），溶液呈碱性
ab
碱性
CO2
4NH3+3O2═2N2+6H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
解析
解：（1）实验室用氯化铵和氢氧化钙固体加热制取氨气，反应方程式为：2NH4Cl+Ca（OH）2
故答案为：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） 
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；
③一定温度下，2L密闭容器中，5mol N2和5mol H2发生反应，达到平衡时，N2的转化率为20%，依据化学平衡三段式列式计算
N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）
起始量（mol/L） 2.5 2.5 0
变化量（mol/L） 0.5 1.5 1.0
平衡量（mol/L） 2.0 1.0 1.0
平衡常数K=
该温度下反应的平衡常数的数值是0.5；
故答案为：0.5；
④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
故答案为：NH4++H2O
③据电荷守恒有：c（NH4+）+c（H+）=2c（SO32-）+c（HSO3-）+c（OH-），溶液显中性，则，c（H+）=c（OH-），故a正确，b正确，c错误，故选：ab；
（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-．
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