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2019-2020年高中化學 1.2人工固氮技術(shù) 合成氨規(guī)范訓練 新人教版選修2 考查點一　合成氨適宜條件的選擇 1．合成氨工業(yè)中控制的反應條件應 (　　)。 A．溫度越高越好 B．壓強越大越好 C．混合氣體中氫氣含量越高越好 D．所選的催化劑活性越大越好 解析　工業(yè)合成氨的熱化學方程式為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝ －92.4 kJmol－1，似乎壓強越大就越有利于平衡向合成氨的方向移動，溫度越 高達到平衡的時間就越短，易錯選A或B。實際上在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中， 壓強不能太大，否則能耗太高，并且對設(shè)備的要求高。而根據(jù)化學平衡移動 原理，此反應溫度越低越有利于平衡向正方向移動，但溫度太低，則催化劑 的催化活性不能很好地發(fā)揮，反應速率太慢；為解決上述矛盾，一般選擇使 催化劑活性最大時的溫度。 答案　D 2．為了進一步提高合成氨的生產(chǎn)效率，科研中具有開發(fā)價值的是 (　　)。 A．研制高溫下活性較大的催化劑 B．尋求NH3的新來源 C．研制低溫下活性較大的催化劑 D．研制耐高溫高壓的新型材料建造合成塔 解析　合成氨的反應是放熱反應，降低溫度有利于提高合成氨的產(chǎn)率。 答案　C 3．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)的反應溫度控制在500 ℃，目的是使化學平衡向正反應方向 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 項不正確；控制反應溫度為500 ℃，一是為了使反應速率不至于很低，二是 為了使催化劑活性最大，因此C項不正確；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1107～3107 Pa，但這并不是因為該壓強下鐵觸媒的活 性最大，因此D項不正確。 答案　B 4．下列關(guān)于合成氨工業(yè)的敘述可用勒夏特列原理來解釋的是 (　　)。 A．使用鐵觸媒，使平衡向生成NH3的方向移動 B．高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應 C．500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應 D．合成氨時采用循環(huán)操作可提高原料的利用率 解析　合成氨的反應特點之一：正反應是氣體體積縮小的反應。當其他條件 不變時，增大壓強平衡向氣體體積減小的方向移動，所以高壓將有利于氨的 合成，選項B符合。 答案　B 5．合成氨時既要使氨的產(chǎn)率增大，又要使反應速率加快，可采取的辦法是 (　　)。 ①減壓?、诩訅骸、凵郎亍、芙禍亍、菁皶r從平衡混合氣中分離出NH3　 ⑥補充N2或H2?、呒哟呋瘎、鄿p小N2或H2的量　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．③④⑤⑦ B．①②⑤⑥ C．②⑥ D．②③⑥⑦ 解析　合成氨反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的特點為：正反應放熱且氣體體積減小。要使平衡向正反應方向移動且反應速率加快，應選C。 答案　C 6．合成NH3所需的H2可由煤與H2O反應制得，其中有一步反應為CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO轉(zhuǎn)化率可采用的方法可能有：①降低溫度；②增大壓強?、凼褂么呋瘎、茉龃驝O的濃度；⑤增大水蒸氣的濃度，其中正確的組合是 (　　)。 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．⑤ 解析　該可逆反應的特點為：①正反應為放熱反應；②反應前后氣體體積不改變。結(jié)合勒夏特列原理可選出答案。 答案　C 7．合成氨工業(yè)中，原料氣(N2、H2、混有少量CO、NH3)在進入合成塔之前，常用醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來吸收CO，其反應為CH3COO[Cu(NH3)2]＋CO＋NH3 CH3COO[Cu(NH3)3]CO(正反應為放熱反應)。 (1)必須除去CO的原因是_______________________________________。 (2)醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液吸收原料氣中CO的適宜條件是 ____________________________________________________。 (3)吸收CO后的醋酸銅(Ⅰ)氨溶液經(jīng)適當處理又可再生，恢復其吸收CO的能力而循環(huán)使用，其再生的條件是______________________________。 解析　合成氨流程中的除雜，是為了除去能使催化劑中毒的物質(zhì)，在合成氨的過程中必須除去CO，因為CO能使催化劑中毒。從吸收CO的化學方程式可得：吸收CO的反應是正反應為氣體體積縮小的放熱反應，因此為了使CO盡最大可能被吸收，應采取高壓、低溫的辦法使平衡正向移動。要使醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液再生，即使平衡逆向移動，故必須采取低壓、高溫的辦法。 答案　(1)防止CO使催化劑中毒　(2)高壓、低溫并于醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液中加入較濃氨水　(3)低壓、高溫 考查點二　合成氨的生產(chǎn)過程及反應原理 8．對于可逆反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，下列說法正確的是(　　)。 A．達到平衡時反應物和生成物濃度一定相等 B．達到平衡后加入氨氣，重新達到平衡時，氨氣的濃度比原平衡時大 C．達到平衡時，升高溫度加快了吸熱反應的速率，降低了放熱反應的速率，所以平衡向逆反應的方向移動 D．加入催化劑可以縮短到達平衡的時間，這是因為加快了正反應的速率，而減慢了逆反應的速率 解析　本題往往錯選C、D，原因是對升高溫度可以使平衡向吸熱反應方向移動的原因認識不清；對使用催化劑可縮短到達平衡所用時間的原因認識不清；正確選項為B。 答案　B 9．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。對于密閉容器中的反應：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關(guān)系如下圖所示。下列敘述正確的是 (　　)。 A．點a的正反應速率比點b的小 B．點c處反應達到平衡 C．點d(t1時刻)和點e(t2時刻)處n(N2)不一樣 D．其他條件不變，773 K下反應至t1時刻，n(H2)比上圖中d點的值大 解析　選項A，在ab段可逆反應向正反應方向進行，隨著反應的進行，反應物濃度在減小，正反應速率在降低，故A項不正確；選項B中，c點時NH3、H2的物質(zhì)的量仍在變化，故未達到化學平衡；選項C中，t1時刻和t2時刻都處于同樣的化學平衡狀態(tài)，則n(N2)不變，故C不正確；選項D中，由于正反應是一個放熱反應，升高溫度化學平衡向逆反應方向移動，故平衡時n(H2)比題圖中d點的值大，故D項正確。 答案　D 10．哈伯因發(fā)明了由氮氣和氫氣合成氨氣的方法而獲得1918年諾貝爾化學獎?，F(xiàn)將氫氣和氮氣充入某密閉容器中，在一定條件下反應的有關(guān)數(shù)據(jù)為： 項目 H2 N2 NH3 起始時 5 molL－1 3 molL－1 0 2 s末 2 molL－1 (1)氫氣和氮氣反應生成氨氣(在2 s內(nèi))的反應速率v(H2)＝__________。若此時已達平衡，則可求得平衡常數(shù)為__________。 (2)下圖表示合成NH3反應在時間t0→t6中反應速率與反應過程曲線圖，則在下列達到化學平衡的時間段中，化學平衡常數(shù)最大的一段時間是__________。 ①t0→t1?、趖2→t3?、踭3→t4?、躷5→t6 若t1時改變的條件是升高溫度，則說明合成NH3反應的焓變ΔH________0(填“大于”或“小于”)。 解析　(1)根據(jù)合成氨反應3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)和表中數(shù)據(jù)，計算得v(H2)＝1.5 molL－1s－1，達到平衡時各物質(zhì)的濃度分別為n(H2)＝2 molL－1，n(N2)＝2 molL－1，n(NH3)＝2 molL－1，即可求出平衡常數(shù)為0.25。 (2)由圖可知，從t1開始是化學反應速率增大，而逆反應速率大于正反應速率，說明平衡向左移動，化學平衡常數(shù)減?。粡膖3開始是反應速率增大，平衡不移動，平衡常數(shù)相等；從t4開始是化學反應速率減少，而逆反應速率減小的少，大于正反應速率，平衡向左移動，平衡常數(shù)減小，故化學平衡常數(shù)最大的一段是t0～t1。 升高溫度，平衡向左移動，故正向是放熱反應ΔH<0。 答案　(1)1.5 molL－1s－1　0.25　(2)①　小于 11．氨是重要的氮肥，是產(chǎn)量較大的化工產(chǎn)品之一。課本里介紹的合成氨技術(shù)稱為哈伯法，是德國人哈伯在1905年發(fā)明的，其合成原理為： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJmol－1 他因此獲得了1918年諾貝爾化學獎。試回答下列問題： (1)合成氨工業(yè)中采取的下列措施可用勒夏特列原理解釋的是________。 A．采用較高壓強(20～50 MPa) B．采用500 ℃的高溫 C．用鐵觸媒作催化劑 D．將生成的氨液化并及時從體系中分離出來，剩余N2和H2循環(huán)到合成塔 中，并補充N2和H2 (2)下圖是實驗室模擬工業(yè)合成氨的簡易裝置，簡述檢驗有氨氣生成的方法： _________________________________________________________________。 (3)在298 K時，將10 mol N2和30 mol H2通入合成塔中，放出的熱量小于924 kJ，原因是_________________________________________________________ _________________________________________________________________。 (4)xx年希臘亞里斯多德大學的Marmellos和Stoukides采用高質(zhì)子導電性 的SCY陶瓷(能傳遞H＋)，實現(xiàn)了高溫、常壓下高轉(zhuǎn)化率的電化學合成氨。其 實驗裝置如下圖，則其陰極的電極反應式為____________________________。 解析　(1)勒夏特列原理只解釋平衡移動問題。(2)根據(jù)氨的性質(zhì)進行檢驗。(3) 合成氨的反應是可逆反應。(4)根據(jù)合成氨反應中的氧化劑、電解池中陰極反 應特點及電解質(zhì)成分進行分析。 答案　(1)AD (2)用濕潤的紅色石蕊試紙放在管口處，若試紙變藍則說明有氨氣生成 (3)該反應是可逆反應，10 mol N2與30 mol H2不可能完全反應，所以放出的 熱量小于1092.4 kJ＝924 kJ (4)N2＋6H＋＋6e－===2NH3 12．四川有豐富的天然氣資源，以天然氣為原料合成尿素的主要步驟如下圖所示(圖中某些轉(zhuǎn)化步驟及生成物未列出)： 請?zhí)顚懴铝锌瞻祝? (1)已知0.5 mol甲烷與0.5 mol水蒸氣在t ℃、p kPa時，完全反應生成一氧 化碳和氫氣(合成氣)，吸收了a kJ熱量，該反應的熱化學方程式是： ________________________________________________________________。 (2)在合成氨的實際生產(chǎn)過程中，常采取的措施之一是：將生成的氨從混合氣 體中及時分離出來，并將分離出氨后的氮氣和氫氣循環(huán)利用，同時補充氮氣 和氫氣。請運用化學反應速率和化學平衡的觀點說明采取該措施的理由： ________________________________________________________________。 (3)當甲烷合成氨氣的轉(zhuǎn)化率為75%時，以5.60107 L甲烷為原料能夠合成 ________L氨氣。(假設(shè)體積均在標準狀況下測定) (4)已知尿素的結(jié)構(gòu)簡式為，請寫出兩種含有碳氧雙鍵的尿素 的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式： ①_______________________________________________________________； ②_______________________________________________________________。 解析　(1)0.5 mol CH4完全反應吸收a kJ熱量，則1 mol CH4完全反應吸收2a kJ熱量，熱化學方程式為CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋2a kJmol－1。 (2)采用循環(huán)操作有利于增大反應物濃度，增大反應速率，提高轉(zhuǎn)化率；減少NH3濃度有利于平衡正向移動。 (3)由反應化學方程式可求轉(zhuǎn)化關(guān)系1CH4～3H2～2NH3，V(NH3)＝5.60107 L75%2＝8.4107 L。 (4)可先寫出結(jié)構(gòu)，再與其余基團連接。可寫出異構(gòu)體 和NH4N＝C＝O的結(jié)構(gòu)簡式。 答案　(1)CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋2a kJmol－1 (2)增大氮氣和氫氣的濃度有利于增大反應速率；減小氨氣的濃度、增大氮氣和氫氣的濃度均有利于平衡向正反應方向移動 (3)8.4107 (4)①?、贜H4N＝C＝O 考查點三　實驗室合成氨 13．如圖所示“合成氨”的演示實驗(夾持儀器均已省略)。在Y形管的一側(cè)用Zn粒和稀H2SO4反應制取H2，另一側(cè)用NaNO2固體和NH4Cl飽和溶液反應制取N2，N2和H2混合后通過還原鐵粉來合成NH3，再將產(chǎn)生的氣體通入酚酞試液中，若酚酞試液變紅，則說明產(chǎn)生了氨氣。 某課外活動小組通過查閱資料和多次實驗，得到了如下信息： 信息一：NaNO2固體和飽和NH4Cl溶液混合加熱的過程中發(fā)生如下反應： ①NaNO2＋NH4ClNH4NO2＋NaCl ②NH4NO2NH3↑＋HNO2 ③2HNO2N2O3↑＋H2O ④2NH3＋N2O32N2＋3H2O 信息二：查閱資料，不同體積比的N2、H2混合氣體在相同實驗條件下合成氨，使酚酞試液變紅所需要的時間如下： N2和H2的體積比 5∶1 3∶1 1∶1 1∶3 1∶5 酚酞變紅色所需時間/min 8～9 7～8 6～7 3～4 9～10 據(jù)此回答下列問題： (1)Y形管左側(cè)管中發(fā)生反應的離子方程式________________________。 (2)鐵粉撒在石棉絨上的目的是_________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________。 (3)課外活動小組的同學們認為，該實驗中即使酚酞變紅也不能說明N2和H2反應合成了NH3，得出此結(jié)論的理由是________________________。 請你另設(shè)計一個簡單的實驗驗證你的理由____________________。欲解決這一問題，可以選用下圖中的________裝置連接在原裝置中的________和________之間。 (4)在上述實驗過程中，為盡快觀察到酚酞試液變紅的實驗現(xiàn)象，應該控制N2和H2的體積比為________比較適宜；但該裝置還難以實現(xiàn)此目的，原因是______________________________________。 (5)實驗過程中通入試管C中的氣體成分有________。 解析　(1)根據(jù)Y形管右側(cè)管需加熱，說明右側(cè)管反應制取N2，左側(cè)管反應制取H2。(2)鐵粉撒在石棉絨上的目的是增大與混合氣體的接觸面積，從而提高催化效率，增大反應速率。(3)因為NH4NO2分解可產(chǎn)生NH3，所以不能證明N2和H2反應生成了NH3。直接將Y形管中混合氣體通入酚酞試液，若試液變紅，則理由成立，否則理由不成立。在A、B之間加一個除NH3的裝置，排除了NH3的干擾。(4)由表可知V(N2)∶V(H2)＝1∶3時，反應最快，在Y形管中，無法控制氣體的體積。(5)氣體成分中有生成的NH3，同時還有未反應的N2、H2。 答案　(1)Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ (2)增大混合氣體與催化劑的接觸面積，使反應進行得更快 (3)從分步反應可知，產(chǎn)生N2的過程中，有可能直接產(chǎn)生氨氣　將混合加熱產(chǎn)生的氣體直接通入酚酞試液，若試液變紅，則說明理由成立；否則，說明理由不成立?、邸　B (4)1∶3　無法控制通入B中N2和H2的體積比 (5)NH3、N2、H2