- 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）从图中选择制取氮气的合适装置：______（填编号）
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用：①______②______③______
（3）用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能说明反应发生的现象是______，乙装置中的CCl4的作用是______．
（4）反应结束后锥形瓶内的溶液中含有的离子有：H+、OH-、______、______．
正确答案
a
干燥气体
控制氢气和氮气的流速
混合气体
出现红棕色气体
防止倒吸
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，故答案为：a；
（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，混合气体，
故答案为：干燥气体；控制氢气和氮气的流速；混合气体；
（3）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
（4）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-．
合成氨反应在解决世界70亿人口的吃饭问题上起了重要的作用，合成氨的方法有很多．
（一）方法1：合成塔中发生反应N2+3H2（g）⇌2NH3（g），下表给出了500℃条件下，某恒容密闭容器中该反应起始和平衡时各物质的浓度数据，则平衡时N2的转化率为______，该条件下反应的平衡数为______．
方法2：1998年2位希腊化学家提出了电解合成氨的新思路，采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+）
为介质，实现了高温（570℃）常压下高转化率的电解法合成氨，装置如图1．钯电极A是电解池的______极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是______．
方法3：最新的“人工固氮”研究报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂（掺有少量Fe2O3的TiO2）
表面与水发生下列反应：2N2（g）+6H2O（l）⇌4NH3（g）+3O2（g）△H=a kJ/mol
进一步研究NH3生成量与温度的关系（其它条件均一样），反应3 小时，测得部分实验
数据如下表：
（1）依据上述数据，能否判断该反应是放热还是吸热反应？说出你的判断依据：______．
（2）已知N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.4kJ•mol-1
2H2（g）+O2（g）⇌2H2O（l）△H=-571.6kJ•mol-1
求上述固氮反应的△H=______
（二）NH3的另外一个重要用途是制备HNO3，提供如图2仪器（图中铁夹、橡皮管等辅助用品已略去，多余的仪器可以不用，个别仪器可以重复使用），请你组装出一套装置，模拟工业上氨的催化氧化，并保证在仪器e中能看到红棕色气体，最终能制得HNO3．请你写出所设计方案的仪器连接循序：a→______（将所连接仪器的顺序依次填入即可）．若a仪器用m d代替，则d中装入得药品为______．若a仪器用b代替，则b中用到的药品为______．
正确答案
解析
解：（一）方法1：设平衡时N2的变化量是x，则
N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）
初始浓度：2.48 4.34 0
变化浓度：0.63 1.91 1.27
平衡浓度：1.85 2.43 1.27
衡时N2的转化率为
方法2、电解池中，氢离子移向阴极，所以钯电极A是电解池的阴极，阴极发生还原反应，氮气在阴极上放电，与氢离子结合生成氨气，即N2+6e-+6H+=2NH3，
故答案为：阴；N2+6H++6e-=2NH3；
方法3：（1）温度对化学平衡移动方向的影响是：温度越高，氨气的量越大，但是没有告诉说是进行到3小时达到了平衡，故无法判断反应的吸放热情况，
故答案为：不能；因为没有给出反应进行3小时是否达到了平衡；
②已知：a、N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）；△H=-92.4kJ/mol；
b、O2（g）+2H2（g）═2H2O（l）；△H=-571.6kJ/mol，则反应2N2（g）+6H2O（l）═4NH3（g）+3O2（g）等于2a-3b；
所以△H=2×（-92.4kJ/mol）-3×（-571.6kJ/mol）=+1530.0kJ/mol，
故答案为：+1530.0kJ/mol；
（二）氨的催化氧化中的氨气可以用a制备，将氨气干燥，再和空气混合在催化剂的作用下可以获得NO，和空气相遇即可得到二氧化氮，二氧化氮和水反应，即可制的硝酸溶液，所以连接顺序是a→g→f→d→e→d，加热氯化铵和氢氧化钙的混合物可以制氨气，还可以用浓氨水和碱石灰（或生石灰、或是氢氧化钠固体）来制备，若a仪器用m d代替，则d中装入得药品为浓氨水，若a仪器用b代替，则b中用到的药品为浓氨水和生石灰（碱石灰或是氢氧化钠固体），用来制取氨气，
故答案为：a→g→f→d→e→d；浓氨水；浓氨水和生石灰（碱石灰或是氢氧化钠固体）．
下列有关工业生产的叙述正确的是（ ）
正确答案
解析
解：A、合成氨生产中将NH3液化分离，提高N2、H2的转化率，但是会减慢反应速率，故A错误；
B、联合制碱法原是向氨化的饱和氯化钠溶液中通入足量的二氧化碳，使溶解度较小的碳酸氢钠从溶液中析出，其反应的化学方程式为：NaCl+CO2+NH3+H2O═NH4Cl+NaHCO3，故B正确；
C、硫酸工业中，在接触室安装热交换器是为了将放出的热量用来预热没反应的二氧化硫与氧气的混合气体，SO3转化为H2SO4是在后面的吸收塔中进行的，故C错误；
D、电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法，可以防止阴极室产生的氢氧化钠、氢气和阳极室生成的Cl2混合，故D错误．
故选B．
氨气是一种重要的化工产品，工业上可以按照下图所示流程生产氨气：
（1）原料气之一氮气的工业制取方法是______，写出氨气的工业用途（任答一点）______．
（2）写出合成塔中发生的反应的化学反应方程式______．
在冷却塔中对混合气体进行冷却，冷水的入口______（答m或n）．
（3）设备C的作用______．
其分离器中的过程对整个工业合成氨的意义______．（试结合平衡移动原理回答）
（4）在原料气制备过程中混有 CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的 CO，可通过如下反应来实现：CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g），已知1000K时该反应的平衡常数K=0.627，若要使CO的转化超过80%，则起始物中c（H2O）：c（CO）不低于______（精确到小数点后一位）．
正确答案
解析
解：（1）空气中的近五分四的是氮气，所以工业上用分离液态空气的方法得到氮气，氨气可以作制冷剂或制硝酸可制氮肥，
故答案为：分离液态空气；作制冷剂或制硝酸可制氮肥；
（2）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：N2+3H2
（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：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；
（4）设开始CO为amol/L，H2O为bmol/L，
CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g），
a b
0.2a b-0.8a 0.8a 0.8a
根据K=
故答案为：5.9．
硝酸是一种重要的工业原料，工业制硝酸的关键是氨的催化氧化，与硝酸工业相关的过程中产生的氮氧化物的处理与应用也是科学研究的热点．I．甲、乙分别是实验室模拟合成氨及氨催化氧化的装置
（1）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有控制气体流速、______．
（2）用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，铂丝保
持红热的原因是______，写出乙装置中氨氧化的化学方程式______．反应结束后锥形瓶内的溶
液中含有H+、OH-、______、______ 离子．
II．工业生产硝酸的尾气中含有氮氧化物NOx（NO和NO2的混合物，假设不含N2O4），对生态环境和人类健康带来较大的威胁．
（1）工业上常用Na2CO3溶液吸收法处理NOx．
已知：NO不能与Na2CO3溶液反应
①NO+NO2+Na2CO3=2NaNO2+CO2
②2NO2+Na2CO3=NaNO2+NaNO3+CO2
当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，x的值不可能是______ （填字母）．
A．1.3 B．1.6 C．1.8
（2）尿素也可用于吸收处理NOx，其反应原理为：
NO+NO2+H2O=2HNO2
2HNO2+CO（NH2）2=2N2↑+CO2↑+3H2O．
当混合气体中NO、NO2按上述反应中系数比时吸收效果最佳．若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可通入一定量的空气，同温同压下，V（空气）：V（NO）=______ （空气中氧气的体积含量约为20%）．
正确答案
解析
解：I．（1）浓硫酸具有吸水性，可用于干燥气体，故答案为：干燥混合气体；
（2）氨气在被氧化生成NO，为放热反应，反应的方程式为4NH3+5O2
故答案为：反应为放热反应；4NH3+5O2
Ⅱ．（1）当NOx被Na2CO3溶液完全吸收时，则n（NO2）≥n（NO），NO含量越少，x值越小，而（NO2）=n（NO），x值最小，x=
故选A；
（2）若混合气体中V（NO）：V（NO2）=5：1时，可设NO为5mol，NO2为1mol，为使气体被完全吸收，应满足NO为3mol，NO2为3mol，则需反应2molNO生成NO2，
由方程式2NO+O2=2NO2可知，需要1molO2，又空气中氧气的体积含量约为20%，则需要5mol空气，
所以V（空气）：V（NO）=5：5=1：1，
故答案为：1：1．
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