- 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）在合成氨的反应中，改变反应条件，会使平衡发生移动．如图象表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势．
当横坐标为压强时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______，
当横坐标为温度时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______．
（2）如图所示三个容积相同的容器①、②、③，若起始温度相同，分别向三个容器中充入3mol H2和1mol N2，一定条件下反应，达到平衡时各容器中NH3物质的百分含量由大到小的顺序为______（填容器编号）
（3）氨气和氧气从145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物（如图所示）：
4NH3+5O2⇌4NO+6H2O
4NH3+3O2⇌2N2+6H2O
温度较低时以生成______为主，温度高于900℃时，NO产率下降的原因______．吸收塔中需要补充空气的原因______．
正确答案
解析
解：（1）工业合成氨为N2+3H2
因△H＜0，为放热反应，增加温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的百分含量减少，故答案为：b，a．
（2）以②为基准，①外有隔热套，相当于在②基础上加热平衡向逆反应方向移动，氨气的百分含量减少．③是恒压状态，相当于在②基础上加压，平衡向右进行，氨气的百分含量增大．所以NH3物质的百分含量由大到小的顺序为①＜②＜③
故答案为：①＜②＜③；
（3）由图象可知在温度较低时生成氮气．温度高于900℃时，NO产率下降是因为反应4NH3+5O2⇌4NO+6H2O是放热反应，达到平衡后，升温平衡逆向进行．故产率降低．吸收塔中需要补充空气是增加反应物的浓度，使平衡向正向移动，进一步与NO反应生成硝酸．
故答案为：N2；生成NO的反应为放热反应，升高温度转化率下降；进一步与NO反应生成硝酸．
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所示．
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______．
（4）氨气是一种富氢燃料，可以直接用于燃料电池，如图2是供氨水式燃料电池工作原理：
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______，正极的电极反应式是______．
正确答案
解析
解：（1）实验室制取氨气的化学方程式：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）⇌2NH3（g）△H=-93.36 kJ/mol，故答案为：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-93.36 kJ/mol；
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⇌NH3•H2O+H+SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-，SO32-水解程度大于NH4+ 的水解程度使溶液中c（OH-）＞c（H+），溶液呈碱性，
故答案为：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c（OH-）＞c（H+），溶液呈碱性；
（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-．
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．
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如图1：
（1）工业生产时，制取氢气的一个反应为：CO+H2O（g）⇌CO2+H2t℃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）合成塔中发生反应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______573K（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）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）△H=-905kJ•mol-1不同温度下NO产率如图2所示．温度高于900℃时，NO产率下降的原因______．
（4）硝酸厂的尾气含有氮氧化物，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）；△H=-574kJ•mol-1
CH4（g）+4NO（g）=2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）；△H=-1160kJ•mol-1
则甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：______．
正确答案
解析
解：（1）①CO+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
平衡浓度：0.08 0.18 0.12 0.12
则K=
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＜573K，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）根据题意，已知：①CH4（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
根据盖斯定律反应CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）可以看成是
所以△H=
故答案为：CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867kJ•mol-1．
氨的原理是：N2+3H2
①X的化学式为______；
②图中条件选定的主要原因是（选填字母序号）______；
A．升高温度、增大压强均有利于氨的合成
B．铁触媒在该温度时活性大
C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
③改变反应条件，会使平衡发生移动．图2表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势．当横坐标为压强时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是（选填字母序号）______．
（2）常温下氨气极易溶于水，其水溶液可以导电．
④用方程式表示氨气溶于水且显弱碱性的过程：______；
⑤氨水中水电离出的c（OH-）______ 10-7 mol•L-1（填写“＞”、“＜”或“=”）；
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后，溶液中离子浓度由大到小依次为______．
正确答案
解析
解：①合成氨工业有下列流程：原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合成、氨的分离，从图1生产流程知，原料气氮气和氢气，经过氨的合成、氨的分离，所以X为氨气，Y为氮气和氢气的混合气，再循环利用，故答案为：NH3；
②A．升高温度，能使反应速率加快，但该反应正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，不利于氨的合成；增大压强，能使反应速率加快，反应也向正反应方向移动，但过高的压强，反应成本高，故A错误；
B．实际生产中采用400～500℃的高温，催化剂的催化活性最高，可以增加反应速率，缩短达到平衡的时间；故B正确；C．合成氨工业的原理是：N2+3H2
故答案为：BC．
③合成氨工业的原理是：N2+3H2
（2）④氨气和水反应生成氨水，氨水电离生成氢氧根离子和铵根离子，方程式为：NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-，
故答案为：NH3+H2O⇌NH3•H2O⇌NH4++OH-；
⑤水电离出氢离子和氢氧根离子，氨水是弱碱，电离出电离生成氢氧根离子和铵根离子，对水的电离起抑制作用，所以水电离出的c（OH-）＜10-7 mol•L-1，故答案为：＜；
⑥将相同体积、相同物质的量浓度的氨水和盐酸混合后，反应生成氯化铵溶液，铵根离子水解，c（Cl-）＞c（NH4+），氯化铵为强酸弱碱盐，水解后溶液呈酸性，c（H+）＞c（OH-），水解极其微弱，所以c（NH4+）＞c（H+），
故答案为：c（Cl-）＞c（NH4+）＞c（H+）＞c（OH-）；
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