2019高中化學(xué) 第一單元 走進化學(xué)工業(yè) 1.2 人工固氮技術(shù)——合成氨課時演練 新人教版選修2.docx

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1.2 人工固氮技術(shù)——合成氨 課時演練促提升 A組 1.人工固氮的成功對人類社會的進步具有重大意義,下列過程屬于人工固氮的是(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.種植豆科植物,利用其根瘤菌將氮氣轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì) B.閃電時氮氣與氧氣化合,生成的氮的化合物被植物吸收 C.化工廠中在催化劑作用下使氮氣與氫氣化合成氨氣 D.以氨氣為原料生產(chǎn)各種化肥 解析:豆科植物的根瘤菌將氮氣轉(zhuǎn)變成植物蛋白屬于生物固氮過程,A錯誤;閃電時氮氣和氧氣反應(yīng)生成NO,是在自然條件下的氮的固定,B錯誤;N2與H2在一定條件下反應(yīng)生成NH3屬于工業(yè)合成氨的過程,屬于人工固氮方式,C正確;由NH3生產(chǎn)各種化肥,是氮的化合物之間的轉(zhuǎn)化過程,不屬于氮的固定過程,D錯誤。 答案:C 2.在合成氨時,可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是(　　) A.延長反應(yīng)時間 B.充入過量H2 C.充入過量N2 D.升高溫度 解析:A項不能提高轉(zhuǎn)化率,B、D項反而會降低H2轉(zhuǎn)化率;只有充入過量N2才能使平衡向正反應(yīng)方向移動,提高H2轉(zhuǎn)化率,故C正確。 答案:C 3.合成氨工業(yè)中采用循環(huán)操作,主要是為了(　　) A.加快反應(yīng)速率 B.提高NH3的平衡濃度 C.降低NH3的沸點 D.提高N2和H2的利用率 解析:合成氨工業(yè)采用循環(huán)操作,將N2、H2循環(huán)壓縮到合成塔中,提高了N2、H2的利用率。 答案:D 4.化工生產(chǎn)中,為加快反應(yīng)速率應(yīng)優(yōu)先考慮的措施是(　　) A.選用適宜的催化劑 B.采用高壓 C.采用高溫 D.增大反應(yīng)物濃度 解析:化工生產(chǎn)中應(yīng)首先考慮的是生產(chǎn)成本,因此應(yīng)先考慮使用催化劑,提高反應(yīng)速率。 答案:A 5.合成氨生產(chǎn)過程采取的措施與化學(xué)平衡移動原理無關(guān)的是(　　) A.選擇適當?shù)臏囟?B.增大體系壓強 C.使用鐵觸媒作催化劑 D.不斷分離出氨 解析:催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率,對平衡移動無影響。 答案:C 6.下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中,正確的是(　　) A.從合成塔出來的混合氣體中,氨氣占15%,所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低 B.由于氨易液化,N2和H2在實際生產(chǎn)中循環(huán)使用,所以總體來說,氨的產(chǎn)率很高 C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500 ℃,目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動 D.我國合成氨廠采用的壓強是10~30 MPa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最大 解析:雖然從合成塔出來的混合氣體中NH3只占15%,但由于原料氣N2和H2循環(huán)使用和不斷分離出液氨,所以生產(chǎn)NH3的效率還是很高的,因此A項錯誤;控制反應(yīng)溫度為400~500℃,主要是為了使催化劑活性最大,因此,C選項錯誤;增大壓強有利于NH3的合成,但壓強越大,需要的動力越大,對材料的強度和設(shè)備的制造要求越高,我國的合成氨廠一般采用1107~3107Pa,但這并不是因為該壓強下鐵觸媒的活性最大,因此,D選項錯誤。 答案:B 7.1913年德國化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法,從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖,其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是(　　) A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④ 解析:合成氨反應(yīng)為氣體分子總數(shù)減小的放熱反應(yīng),操作①是為了除去雜質(zhì),防止水蒸氣對反應(yīng)產(chǎn)生不良影響;②增大壓強,有利于該反應(yīng)向右進行,能夠提高轉(zhuǎn)化率;③催化劑只能加快反應(yīng),不影響化學(xué)平衡,故不能提高轉(zhuǎn)化率;④將產(chǎn)物NH3液化分離和⑤循環(huán)操作,均能使原料被更充分地利用,提高原料的轉(zhuǎn)化率。 答案:B 8.某化學(xué)學(xué)習(xí)小組在實驗室模擬工業(yè)生產(chǎn)制備少量氨氣,設(shè)計了如下實驗: ①連接好裝置并檢查實驗裝置的氣密性后,制備少量氫氣并檢驗氫氣純度; ②用氫氣將空氣中的氧氣消耗掉,得到氫氣與氮氣的混合氣體; ③用鐵觸媒催化使氫氣與氮氣反應(yīng)生成氨氣; ④檢驗氨氣的生成。 (1)檢驗氫氣純度的目的是　; (2)上述各裝置的接口正確的連接順序為　; (3)操作②時,彈簧夾a、b、c的開、關(guān)情況為　　　　,如何判斷氧氣已經(jīng)完全被消耗掉　; (4)在步驟③中,先加熱鐵觸媒,后通入混合氣體的原因是 　, 反應(yīng)管D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是　; (5)若有氨氣生成,現(xiàn)象為　; (6)該裝置　　　　(填“有”或“無”)缺點,若填有,改進措施為　。 解析:點燃易燃氣體時,若氣體中混有空氣(氧氣),點燃會發(fā)生爆炸,故點燃之前一定要檢驗純度;根據(jù)實驗步驟的先后,可確定各裝置的接口順序為①⑤④②③⑥;用氫氣將空氣中的氧氣消耗掉時,應(yīng)該關(guān)閉彈簧夾b、c,打開a;點燃氫氣,當火焰熄滅時,則氧氣被消耗掉;由于鐵觸媒有一定的活性溫度要求,故先加熱鐵觸媒,再通混合氣體;若產(chǎn)生氨氣,溶于水顯堿性,會使E中溶液變紅;為防止水蒸氣對反應(yīng)產(chǎn)生不良影響,應(yīng)該在反應(yīng)前把氫氣與氮氣的混合氣體干燥,另外氨氣是一種污染性氣體,不能直接排入大氣中,應(yīng)該設(shè)有尾氣處理裝置。 答案:(1)防止因氫氣不純而發(fā)生爆炸 (2)①⑤④②③⑥ (3)關(guān)閉彈簧夾b、c,打開a　氫氣在C瓶內(nèi)燃燒,火焰熄滅時,證明氧氣完全被消耗掉 (4)鐵觸媒在較高溫度時活性較大　N2+3H22NH3 (5)E中溶液變紅 (6)有　氫氣與氮氣的混合氣體應(yīng)該先通過干燥裝置,再通入反應(yīng)裝置;⑦后應(yīng)連接一個吸收尾氣的裝置 B組 1.用焦炭、空氣、水為原料制備NH3的有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式: ①C+H2O(g)CO+H2 ②CO+H2O(g)CO2+H2 ③N2+3H22NH3 參加反應(yīng)的焦炭與氨氣之間的物質(zhì)的量之比約為(　　) A.3∶4 B.3∶2 C.2∶3 D.1∶2 解析:由反應(yīng)①、②可得C~2H2,由③可得,3H2~2NH3,故:3C~6H2~4NH3,n(C)∶n(NH3)=3∶4。 答案:A 2.合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的意義。哈伯法合成氨需要在10~30 MPa的高壓和500 ℃的高溫下,并用鐵作為催化劑,氨的轉(zhuǎn)化率為10%~15%;最近美國俄勒岡大學(xué)的化學(xué)家使用了一種名為trans-Fe(DMeOPrPE)2的催化劑,在常溫下合成出氨。下列有關(guān)說法中錯誤的是(　　) A.哈伯法合成氨是吸熱反應(yīng),新法合成氨是放熱反應(yīng) B.新法合成和哈伯法相比不需要在高溫條件下,可節(jié)約大量能源 C.新法合成能在常溫下進行也需要斷裂化學(xué)鍵 D.新的催化劑降低了反應(yīng)所需要的能量 解析:吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)是由反應(yīng)物和生成物所具有的能量的相對大小決定的,與反應(yīng)的條件無關(guān),所以A項錯誤。根據(jù)題意可判斷利用催化劑降低了反應(yīng)所需能量,所以反應(yīng)在常溫下可以進行,可節(jié)約大量能源,其他選項正確。 答案:A 3.氨催化氧化是硝酸工業(yè)的基礎(chǔ),在某催化劑作用下只發(fā)生主反應(yīng)①和副反應(yīng)②,有關(guān)物質(zhì)產(chǎn)率與溫度的關(guān)系如圖。 4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)　ΔH1=-905 kJmol-1 ① 4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)　ΔH2=-1 268 kJmol-1 ② 下列說法中正確的是(　　) A.工業(yè)上氨催化氧化生成NO時,溫度應(yīng)控制在780~840 ℃之間 B.為了提高反應(yīng)速率,工業(yè)上常采用的物料比n(O2)∶n(NH3)為1.7~2.0 C.加壓有利于NH3生成NO,不利于NH3生成N2 D.N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=-181.5 kJmol-1 解析:由圖像知,在780~840℃之間,NO的產(chǎn)率最高,A正確;反應(yīng)①中O2不能過量,因為2NO+O22NO2,B錯誤;主反應(yīng)①是氣體分子總數(shù)增大的反應(yīng),加壓不利于NO的生成,C錯誤;由反應(yīng)(①-②)2得:N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=+181.5kJmol-1,D錯誤。 答案:A 4.在某合成氨的反應(yīng)中,測得合成塔入口處氣體N2、H2、NH3的體積比為6∶18∶1,出口處氣體N2、H2、NH3的體積比為9∶27∶8,則氮氣的轉(zhuǎn)化率為(　　) A.75% B.50% C.25% D.20% 解析:設(shè)起始物質(zhì)的量分別是6mol,18mol,1mol 　　　　N2　+　3H22NH3 起始n/mol 6 18 1 轉(zhuǎn)化n/mol x 3x 2x 平衡n/mol 6-x 18-3x 1+2x 據(jù)題意6-x1+2x=98,x=32,故N2的轉(zhuǎn)化率為326100%=25% 答案:C 5.氨在國民經(jīng)濟中占有重要地位,下圖是合成氨的簡要流程: Ⅰ.原料氣的制備。 (1)合成氨所需氮氣來自空氣,方法之一是將空氣液化后再加熱分離;請另設(shè)計一種從空氣中分離出氮氣的方法:　。 (2)請寫出工業(yè)上獲得氫氣的一種方法(用化學(xué)方程式表示)　。 Ⅱ.原料氣的凈化。 為防止催化劑“中毒”,原料氣在進入壓縮機之前必須經(jīng)過凈化、精制處理,“精制”過程通常是將含有少量CO、CO2、O2和H2S等雜質(zhì)的原料氣體通入含有氨水的醋酸亞銅二氨[Cu(NH3)2]Ac溶液,以獲得純凈原料氣。其中,吸收CO的反應(yīng)方程式為CO+[Cu(NH3)2]Ac+NH3H2O[Cu(NH3)3CO]Ac+H2O　ΔH<0 (3)為提高CO吸收率,可采取的有效措施是 　。 (4)除去氧氣時,氧氣將[Cu(NH3)2]Ac氧化為[Cu(NH3)4]Ac2,則反應(yīng)中還原劑與氧化劑的物質(zhì)的量之比是　　　。 Ⅲ.氨的合成。 (5)據(jù)報道,科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H+)為介質(zhì),用吸附在它內(nèi)外表面上的金屬鈀多晶薄膜作電極,實現(xiàn)了高溫常壓下高轉(zhuǎn)化率的電化學(xué)合成氨。其實驗裝置如圖。請寫出鈀電極A上的電極反應(yīng)式: 　。 解析:由化學(xué)方程式可知此反應(yīng)為放熱反應(yīng),反應(yīng)前有氣體,反應(yīng)后無氣體,所以可以采取加壓、降溫使平衡右移;還原劑[Cu(NH3)2]Ac中銅元素化合價升高1,氧化劑O2中氧元素化合價降低2,所以還原劑與氧化劑物質(zhì)的量之比為4∶1;N2得電子,氮元素化合價降低3,可得N2+6e-2NH3,用H+配平。 答案:(1)將空氣中的O2與碳反應(yīng)生成CO2,再除去CO2得到氮氣 (2)C+H2O(g)CO+H2(或CO+H2OCO2+H2或CH4+H2O CO+3H2等) (3)降低溫度、增大壓強 (4)4∶1 (5)N2+6H++6e-2NH3 6.實驗室模擬合成氨和氨催化氧化的流程如下: 已知實驗室可用飽和亞硝酸鈉(NaNO2)溶液與飽和氯化銨溶液經(jīng)加熱后反應(yīng)制取氮氣。 (1)從上圖中選擇制取氣體的合適裝置:氮氣用　　　、氫氣用　　　　　。 (2)氮氣和氫氣通過甲裝置,甲裝置的作用除了將氣體混合外,還有　　　　　　、　　　　　　。 (3)氨合成器出來經(jīng)冷卻的氣體連續(xù)通入乙裝置的水中吸收氨,　　　　(填“會”或“不會”)發(fā)生倒吸,原因是　　　　　　　　。 (4)用乙裝置吸收一段時間氨后,再通入空氣,同時將加熱的鉑絲插入乙裝置的錐形瓶內(nèi),能使鉑絲保持紅熱的原因是　　　　　　　　　　　　,錐形瓶中還可觀察到的現(xiàn)象是　　　　　　　。 (5)寫出乙裝置中氨氧化的化學(xué)方程式:　　　　　　　　　　　　　　。 (6)反應(yīng)結(jié)束后錐形瓶內(nèi)的溶液中含有H+、OH-、　　　　、　　　。 解析:氮氣用氯化銨溶液和亞硝酸鈉溶液加熱反應(yīng)制取,故選a裝置;氫氣用鋅與稀硫酸反應(yīng)制取,不用加熱,選b裝置。甲裝置的作用是混合氮氣、氫氣,干燥氣體,控制氮氣和氫氣的流速。從氨合成器中出來的氣體主要是氮氣和氫氣,通入水中吸收氨氣,因為氮氣、氫氣難溶于水,故不會倒吸。氨的催化氧化是一個放熱反應(yīng),鉑絲保持紅熱,錐形瓶中發(fā)生下列反應(yīng): 4NH3+5O24NO+6H2O,2NO+O22NO2故有紅棕色氣體產(chǎn)生,3NO2+H2O2HNO3+NO,HNO3+NH3NH4NO3。 答案:(1)a　b　(2)干燥氣體　控制氫氣和氮氣的流速　(3)不會　因為混合氣體中含有大量難溶于水的氮氣、氫氣　(4)氨的催化氧化反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)　有紅棕色氣體產(chǎn)生 (5)4NH3+5O24NO+6H2O　(6)NH4+　NO3-