- 合成氨工业的发展——原料及原料气的净化
- 共152题
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产,流程如下:
(1)工业生产时,制取氢气的一个反应为:CO+H2O(g)⇌CO2+H2.t℃时,往1L密闭容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸气.反应建立平衡后,体系中c(H2)=0.12mol•L-1.该温度下此反应的平衡常数K=______(填计算结果).
(2)合成培中发生反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H<0.下表为不同温度下该反应的平衡常数.由此可推知,表中T1______300℃(填“>”、“<”或“=”).
(3)N2和H2在铁作催化剂作用下从145℃就开始反应,不同温度下NH3产率如图所示.温度高于900℃时,NH3产率下降的原因______.
(4)在上述流程图中,氧化炉中发生反应的化学方程式为______.
(5)硝酸厂的尾气含有氮的氧化物,如果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的氧化物还原为氮气和水,反应机理为:
CH4(g)+4NO2(g)═4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574kJ•mol-1
CH4(g)+4NO(g)═2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160kJ•mol-1
则甲烷直接将N02还原为N2的热化学方程式为:______.
(6)氨气在纯氧中燃烧,生成一种单质和水,试写出该反应的化学方程式______,科学家利用此原理,设计成氨气一氧气燃料电池,则通入氨气的电极是______ (填“正极”或“负极”);碱性条件下,该电极发生反应的电极反应式为______.
正确答案
解析
解:(1)根据题意:CO+H2O(g)⇌CO2 +H2
初始浓度:0.2 0.3 0 0
变化浓度:0.12 0.12 0.12 0.12
平衡时的浓度:0.08 0.18 0.12 0.12
则K==1,故答案为:1;
(2)对于放热反应,温度越高,则化学平衡逆向移动,导致平衡常数减小,所以T1<300℃,故答案为:<;
(3)对于放热反应,温度升高,则化学平衡向逆向移动,所以氨气的产率减小,故答案为:温度高于900℃时,平衡向左移动;
(4)氧化炉中是氨的催化氧反应,方程式为:4NH3+5O24NO+6H2O,故答案为:4NH3+5O2
4NO+6H2O;
(5)根据题意:①CH4(g)+2NO2(g)═2NO(g)+
CO2(g)+H2O(g)△H=
×(-574kJ•mol-1)=-287kJ•mol-1;
CH4(g)+2NO(g)═N2(g)+
CO2(g)+H2O(g)△H=
×(-1160kJ•mol-1)=-580kJ•mol-1;
根据盖斯定律反应CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)可以看成是①+②,所以△H=-287kJ•mol-1-580kJ•mol-1=-867kJ•mol-1,
故答案为:CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-867kJ•mol-1;
(6)氨气在纯氧中燃烧,生成氮气和水,化学方程式为:4NH3+3222+6H2O,在燃料电池中,燃料做负极,则通入氨气的电极是负极,碱性条件下,该电极发生反应的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-→N2+6H2O,故答案为:4NH3+32
22+6H2O;负极;2NH3-6e-+6OH-→N2+6H2O.
在NH3、H2SO4的工业生产中,具有的共同的是( )
正确答案
解析
解:A.H2SO4工业上常用98.3%的浓硫酸在吸收塔中吸收SO3,而NH3是将其液化分离的氮气氢气循环利用,不需要吸收装置无需吸收塔,故A错误;
B.H2SO4工业使用的三个设备是沸腾炉、接触室、吸收塔,这其中涉及原料的循环利用,没有尾气吸收装置,故B错误;
C.工业上用氮气和氢气在高温高压催化剂的条件下合成氨,工业制硫酸铁矿石在沸腾炉中高温煅烧,二氧化硫和氧气在催化剂的作用下,加热即可,无需高压的条件,故C错误;
D.氨气用铁触媒做催化剂,制硫酸二氧化硫氧化为三氧化硫是用五氧化二钒做催化剂,在NH3、H2SO4的工业生产中都需要使用催化剂,故D正确;
故选D.
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+O22NH3•H2O+2S;
故答案为:2NH4HS+O22NH3•H2O+2S↓;
(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×100%=90%,故答案为:90%;
(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:.
合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应,合成氨工业的生成流程如下:
关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、混合气进行循环利用可以节约能源、提高原料的利用率,这遵循绿色化学思想,故A正确;
B、对原料气进行压缩,即增大压强,化学平衡正向移动,可以增大原料气的转化率,故B正确;
C、降低温度,反应速率减慢,为保证速率较快,催化剂的活性高,产物的产率又不低,则选择适宜的温度即可,不能在低温下进行,故C错误;
D、催化剂的特点:提高反应的速率,但是不能使平衡移动,使用催化剂可以提高反应的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动,故D正确.
故选C.
合成氨工业的部分工艺流程如下图所示:
请你回答下列问题:
(1)已知:N2(g)+O2(g)═2NO(g);△H=180.5kJ•mol-1
4NH3(g)+5O2(g)═4NO(g)+6H2O(g);△H=-905kJ•mol-1
2H2(g)+O2(g)═2H2O(g);△H=-483.6kJ•mol-1
则N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)的△H=______.
(2)改变下列条件,能使平衡向正反应方向进行且平衡常数不变的是______.
A.增大压强 B.降低温度 C.使用催化剂 D.增大反应物的浓度
(3)在一定条件下,将2molN2与5molH2混合于一个10L的密闭容器中,反应情况如图1所示:
①求5min内的平均反应速率v(NH3)=______
②达到平衡时NH3的体积分数为______%
(4)近年来科学家提出了电解合成氨的方法: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,实现了高转化率的电解法合成氨(装置如图2)
请回答: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)已知:①N2(g)+O2(g)=2NO(g);△H=180.5kJ•mol-1
②4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g);△H=-905kJ•mol-1
③2H2(g)+O2(g)=2H2O(g);△H=-483.6kJ•mol-1
则反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)等于①+③×-
,所以△H=△H1+△H3×
-
△H2=-92.4kJ•mol-1,
故答案为:-92.4kJ•mol-1;
(2)平衡常数只受温度影响,平衡常数不变说明温度不变,所以B错误,使用催化剂只能改变反应速率,不会引起反应的移动,故C错误,根据平衡移动原理,增大压强和增大反应物的浓度均能使平衡正向移动,故答案为:AD;
(3)①设5min内生成氨气的物质的量浓度为x,则
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
初始浓度:0.2 0.5 0
变化浓度:0.5x 1.5x x
平衡浓度:0.2-0.5x 0.5-1.5x x
则:根据题意x=0.2(mol/L)
所以5min内的平均反应速率v(NH3)==0.04mol/(L•min),故答案为:0.04mol/(L•min);
②达到平衡时NH3的体积分数=×100%=40%,故答案为:40%;
(4)根据图示信息,阳离子移向阴极,可知钯电极是阴极,阴极发生得电子的还原反应,即N2+6e-+6H+=2NH3,故答案为:阴;N2+6e-+6H+=2NH3.
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