1、1课题 2 人工固氮技术合成氨课时过关能力提升1 为了进一步提高合成氨的生产效率,科研中最具有开发价值的是( )A.寻找 N2的新来源B.研制低温下活性较大的催化剂C.研制 500 左右时活性较大的催化剂D.研制耐高温、高压的材料,用于建造氨合成塔解析：根据平衡移动原理可知,低温有利于氨的合成。答案：B21913 年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是( )A. B. C. D.解析：合成氨反应为气体分子总数减小的放热反应,操作是为了除去杂质,防止催化剂中毒;增大压强,有利于该反应向
2、右进行,能够提高原料转化率;催化剂只能加快反应,不影响化学平衡,故不能提高原料转化率;将产物 NH3液化分离和循环操作,均能使原料被更充分地利用,提高原料的转化率。答案：B3 合成氨工业上采用循环操作,主要是为了( )A.加快反应速率B.提高 NH3的平衡浓度C.降低 NH3的沸点D.提高 N2和 H2的利用率解析：合成氨工业采用循环压缩,将 N2、H 2压缩到合成塔中,提高了 N2、H 2的利用率。答案：D4 合成氨生产过程采取的措施与化学平衡移动原理无关的是( )A.选择适当的温度B.增大体系压强C.使用铁触媒作催化剂D.不断分离液氨解析：催化剂只能改变反应速率,对平衡移动无影响。答案：C
3、5 下列有关合成氨工业的说法中,正确的是( )2A.从合成塔出来的混合气体中,氨气占 15%,所以生产氨的工厂效率都很低B.由于氨易液化,N 2和 H2在实际生产中循环使用,所以总体来说,氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在 500 ,目的是使化学平衡向正反应方向移动D.我国合成氨厂采用的压强是 1030 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大解析：虽然从合成塔出来的混合气体中 NH3只占 15%,但由于原料气 N2和 H2循环使用和不断分离出液氨,所以生产 NH3的效率还是很高的,A 项错误;控制反应温度为 500 ,一是为了使反应速率不至于很低,二是为了使催化剂活性最大,C 项错误;增
4、大压强有利于 NH3的合成,但压强越大,需要的动力越大,对材料的强度和设备的制造要求越高,我国的合成氨厂一般采用 11073107 Pa,但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大,D 项错误。答案：B6 实验室合成氨装置如右图所示,则以下说法中错误的是( )A.装置甲的作用之一是干燥B.装置甲的作用是化合C.乙处导出的气体是 N2、H 2、NH 3D.检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等解析：装置甲的作用有三点:干燥气体;观察气体逸出速率便于控制比例;使气体混合均匀。答案：B7 合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。哈伯法合成氨需要在 1030 MPa 的高压和 500 的高温下,并
5、用铁作为催化剂,氨的转化率为 10%15%;最近美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为trans-Fe(DMeOPrPE)2Cl2的催化剂,在常温下合成了氨。下列有关说法中错误的是( )A.哈伯法合成氨是吸热反应,新法合成氨是放热反应B.新合成法和哈伯法相比不需要在高温条件下,可节约大量能源C.新合成法能在常温下进行也需要断裂化学键D.新的催化剂降低了反应所需要的能量解析：吸热反应和放热反应是由反应物和生成物所具有能量的相对大小决定的,与反应的条件无关,A错误;根据题意可判断利用催化剂降低了反应所需能量,所以反应在常温下可以进行,可节约大量能源。答案：A8 合成氨工业的化学反应原理如下:N2(g
6、)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.4 kJmol-1(1)该反应的特点是 、 、 。 3(2)综合运用化学反应速率的影响因素和化学平衡移动原理分析,工业生产中合成氨的适宜条件是增大 浓度;温度: ; 压强: ;催化剂: 。 解析：合成氨反应是一个正反应放热、气体分子总数减小的可逆反应,增大反应物浓度、增大压强,反应速率加大,平衡右移,这对合成氨都是极为有利的条件,但压强大对设备的要求也高,所以根据实际选择适宜的压强。升高温度反应速率加大,但平衡左移,反应程度减小了,结合催化剂的活性,选择一个适当的温度也是非常必要的。答案：(1)可逆反应 正反应是气体分子总数减小的反应正反应是放热反
7、应(2)反应物 400500 1030 MPa 以铁为主的催化剂9 工业上合成氨的反应为 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H0。(1)使用铁触媒作催化剂是为了 。 (2)通常采用 11073107 Pa 的压强,原因是 。 (3)选择 400500 的温度进行反应,是由于 。 (4)将生成的氨气及时从混合气体中分离出来,原因是。 解析：合成氨反应是气体分子总数减小的放热反应,根据化学反应速率和化学平衡原理,并结合生产实际综合分析。答案：(1)提高反应速率(2)该反应是一个气体分子总数减小的反应,增大压强,有利于化学平衡向右移动(3)合成氨的反应是放热反应,温度升高,不利于氨气的生成,
8、但温度过低,反应速率很小,故需采用 400500 的温度,且此时催化剂的活性最大(4)减小生成物氨的浓度,有利于化学平衡向右移动10 德国化学家哈伯是一个倍受争议的人。诅咒哈伯的人说:他是魔鬼,给人类带来灾难、痛苦和死亡因为是他第一个将毒气应用于战争。赞扬哈伯的人说:他是天使,为人类带来丰收和喜悦,是用空气制造面包的圣人因为他是合成氨工业的奠基人。请回答下列各题。(1)哈伯是合成氨工业的奠基人,为什么就说他是用空气制造面包的圣人: 。 (2)氮的固定主要有三种形式: 、 和 。 (3)合成氨过程中主要解决三个技术问题。条件的控制。从合成氨所需的反应条件看,高压和低温有利于反应物转化率的提高,而
9、在工业上选择 1030 MPa 的较高压强和 500 的温度来进行反应。工业上采用 500 的温度来进行反应,可用以下三条理由来解读:a.若温度太高,从温度对化学反应平衡影响的角度说 ;b.若温度太低,从温度对化学反应速率影响的角度说 ; c.500 , 。 4原料气的制备。氮气的制备,目前采取的方法是 。工业上利用甲烷经两次转化生产氢气,其方案如图所示: 写出一次转化和二次转化的化学方程式:(不必写反应条件) ; 。 若一次转化和二次转化的转化率均为 90%,则 n mol 甲烷能产生 H2 mol。 工艺流程的设计。该技术主要解决的问题是 。采取的操作是 。 解析：(3)由第一次转化的化学
10、方程式 CH4+H2O(g) CO+3H2,n mol 甲烷产生 H2 3n90% mol=2.7n mol;由两次转化得关系式:CH 4COH 2,即第二次转化产生 H2 n90%90%=0.81n mol;故共产生 H2 2.7n mol+0.81n mol=3.51n mol。答案：(1)氨气可制氮肥,大幅度提高了农作物产量(或其他合理说法也可)(2)豆科植物的根瘤菌固氮 雷雨作用固氮 工业合成氨(或人工固氮)(3)平衡混合物中氨的含量太低 化学反应速率太小 催化剂活性较大压缩空气分离法 CH 4+H2O(g) CO+3H2CO+H2O(g) CO2+H2 3.51 n 提高原料的利用率
11、 循环操作11 某企业生产氨气的流程如下:请回答下列问题:(1)操作的名称是 ,操作的名称为 。 (2)写出的化学方程式 。 (3)合成塔出来的高温高压气体中仅含体积分数为 25%的氨气,从混合气中分离出氨气的操作是 ,分离出的氮气和氢气则重新回到合成塔中。 (4)检验合成塔中出来的气体中含有氨气的方法是 。 (5)下列属于氮的固定的是 。 A.由氮气合成氨B.由氨制氯化铵C.雷雨天气由氮气得硝酸盐D.碳酸氢铵受热分解答案：(1)干馏 蒸馏(2)C+H2O(g) CO+H2(3)压缩液化(4)将湿润的红色石蕊试纸置于气体中,若试纸变蓝,则说明含有 NH3(5)AC12 某化学学习小组决定在实验
12、室模拟工业生产原理制备少量氨气,设计了如下实验。5连接好装置并检查实验装置的气密性后,制备少量氢气并检验氢气纯度;用氢气将空气中的氧气消耗掉,得到氢气与氮气的混合气体;用铁触媒催化使氢气与氮气反应生成氨气;检验氨气的生成。(1)检验氢气纯度的目的是 ; (2)上述各装置的接口正确的连接顺序为 ; (3)操作时,弹簧夹 a、b、c 的开、关情况为 ,如何判断氧气已经完全被消耗掉 ; (4)在步骤中,先加热铁触媒,后通混合气体的原因是 ,反应管 D 中发生反应的化学方程式是 ; (5)若有氨气生成,现象为 ; (6)该装置 (填“有”或“无”)缺点,若填有,改进措施为 。 解析：点燃易燃气体时,若
13、气体中混有空气(氧气),点燃会发生爆炸,故点燃之前一定要检验纯度;根据实验步骤的先后,可确定各装置的接口顺序为;用氢气将空气中的氧气消耗掉时,应该关闭弹簧夹 b、c,打开 a;在 C 中点燃氢气,当火焰熄灭时,则氧气被消耗掉;由于铁触媒有一定的活性温度要求,故先加热铁触媒,再通混合气体;若产生氨气,溶于水显碱性,会使 E 中溶液变红;为防止催化剂中毒,应该在反应前把氢气与氮气的混合气体干燥,另外氨气是一种污染性气体,不能直接排入大气中,应该设有尾气处理装置。答案：(1)防止因氢气不纯而发生爆炸(2)(3)关闭弹簧夹 b、c,打开 a 氢气在 C 瓶内燃烧,火焰熄灭时,证明氧气完全被消耗掉(4)
14、铁触媒在较高温度时活性增大,加快合成氨的反应速率 N 2+3H2 2NH3(5)E 中溶液变红(6)有 氢气与氮气的混合气体应该先通过干燥装置,再通入反应装置,后连接一个吸收氨气的装置 13 如图是工业生产硝酸的流程:6合成塔中内置铁触媒,氧化炉中内置 Pt-Rh 合金网,其合成原理为 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.4 kJmol-1。请回答下列问题:(1)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,示意如下:、 、 分别表示 N2、H 2、NH 3。图表示生成的 NH3离开催化剂表面,图和图的含义分别是 。 (2)下图是实验室模拟工业合成氨的简易装置。简述检验有氨气生成的方法: 。 (3)在 298 K 时,将 10 mol N2和 30 mol H2通入合成塔中,放出的热量小于 924 kJ,原因是 。 答案：(1)图表示 N2、H 2被吸附在催化剂表面,图表示在催化剂表面,N 2、H 2的化学键断裂(2)把湿润的红色石蕊试纸放在导管口处,若试纸变蓝,则说明有氨气生成(3)该反应是可逆反应,10 mol N 2与 30 mol H2不可能完全反应,所以放出的热量小于1092.4 kJ=924 kJ
