《1-2 人工固氮技术——合成氨》同步练习2

课题1 人工固氮技术——合成氨 同步练习2 考查点一 合成氨适宜条件的选择 1．合成氨工业中控制的反应条件应 ( )。 A．温度越高越好 B．压强越大越好 C．混合气体中氢气含量越高越好 D．所选的催化剂活性越大越好 解析 工业合成氨的热化学方程式为N2(g)＋3H22NH3(g) ΔH＝ －92.4 kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，温度越 高达到平衡的时间就越短，易错选A或B。实际上在合成氨的工业生产中， 压强不能太大，否则能耗太高，并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动 原理，此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动，但温度太低，则催化剂 的催化活性不能很好地发挥，反应速率太慢；为解决上述矛盾，一般选择使 催化剂活性最大时的温度。 答案 D 2．为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是 ( )。 A．研制高温下活性较大的催化剂 B．寻求NH3的新来源 C．研制低温下活性较大的催化剂 D．研制耐高温高压的新型材料建造合成塔 解析 合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的产率。 答案 C 3．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是 ( )。 A．从合成塔出来的混合气体中，氨气占15%，所以生产氨的工厂的效率都 很低 B．由于氨易液化，N2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10～30 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，因此A 项不正确；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，因此C项不正确；增大压强有利于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1×107～3×107 Pa，但这并不是因为该压强下铁触媒的活 性最大，因此D项不正确。 答案 B 4．下列关于合成氨工业的叙述可用勒夏特列原理来解释的是 ( )。 A．使用铁触媒，使平衡向生成NH3的方向移动 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D．合成氨时采用循环操作可提高原料的利用率 解析 合成氨的反应特点之一：正反应是气体体积缩小的反应。当其他条件 不变时，增大压强平衡向气体体积减小的方向移动，所以高压将有利于氨的 合成，选项B符合。 答案 B 5．合成氨时既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是 ( )。 ①减压 ②加压 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥补充N2或H2 ⑦加催化剂 ⑧减小N2或H2的量 A．③④⑤⑦ B．①②⑤⑥ C．②⑥ D．②③⑥⑦

解析 合成氨反应N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g) ΔH<0的特点为：正反应放热且气体体积减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。 答案 C 6．合成NH3所需的H2可由煤与H2O反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H22(g)＋H2(g) ΔH<0。欲提高CO转化率可采用的方法可能有：①降低温度；②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是 ( )。 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．⑤ 解析 该可逆反应的特点为：①正反应为放热反应；②反应前后气体体积不改变。结合勒夏特列原理可选出答案。 答案 C 7．合成氨工业中，原料气(N2、H2、混有少量CO、NH3)在进入合成塔之前，常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收CO，其反应为CH3COO[Cu(NH3)2]＋CO＋NH3 CH3COO[Cu(NH3)3]·CO(正反应为放热反应)。 (1)必须除去CO的原因是_______________________________________。 (2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收原料气中CO的适宜条件是 ____________________________________________________。 (3)吸收CO后的醋酸铜(Ⅰ)氨溶液经适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力而循环使用，其再生的条件是______________________________。 解析 合成氨流程中的除杂，是为了除去能使催化剂中毒的物质，在合成氨的过程中必须除去CO，因为CO能使催化剂中毒。从吸收CO的化学方程式可得：吸收CO的反应是正反应为气体体积缩小的放热反应，因此为了使CO尽最大可能被吸收，应采取高压、低温的办法使平衡正向移动。要使醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液再生，即使平衡逆向移动，故必须采取低压、高温的办法。 答案 (1)防止CO使催化剂中毒 (2)高压、低温并于醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液中加入较浓氨水 (3)低压、高温 考查点二 合成氨的生产过程及反应原理 8．对于可逆反应N2(g)＋3H23(g) ΔH<0，下列说法正确的是( )。 A．达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等 B．达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大 C．达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动 D．加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率 解析 本题往往错选C、D，原因是对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为B。 答案 B 9．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3H23(g)，673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如下图所示。下列叙述正确的是 ( )。

A．点a的正反应速率比点b的小 B．点c处反应达到平衡 C．点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样 D．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大 解析 选项A，在ab段可逆反应向正反应方向进行，随着反应的进行，反应物浓度在减小，正反应速率在降低，故A项不正确；选项B中，c点时NH3、H2的物质的量仍在变化，故未达到化学平衡；选项C中，t1时刻和t2时刻都处于同样的化学平衡状态，则n(N2)不变，故C不正确；选项D中，由于正反应是一个放热反应，升高温度化学平衡向逆反应方向移动，故平衡时n(H2)比题图中d点的值大，故D项正确。 答案 D 10．哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现将氢气和氮气充入某密闭容器中，在一定条件下反应的有关数据为： 项目 H2 N2 NH3 起始时 5 mol·L－1 3 mol·L－1 0 2 s末 2 mol·L－1 (1)氢气和氮气反应生成氨气(在2 s内)的反应速率v(H2)＝__________。若此时已达平衡，则可求得平衡常数为__________。 (2)下图表示合成NH3反应在时间t0→t6中反应速率与反应过程曲线图，则在下列达到化学平衡的时间段中，化学平衡常数最大的一段时间是__________。 ①t0→t1 ②t2→t3 ③t3→t4 ④t5→t6

若t1时改变的条件是升高温度，则说明合成NH3反应的焓变ΔH________0(填“大于”或“小于”)。 解析 (1)根据合成氨反应3H2(g)＋N23(g)和表中数据，计算得v(H2)＝1.5 mol·L－1·s－1，达到平衡时各物质的浓度分别为n(H2)＝2 mol·L－1，n(N2)＝2 mol·L－1，n(NH3)＝2 mol·L－1，即可求出平衡常数为0.25。 (2)由图可知，从t1开始是化学反应速率增大，而逆反应速率大于正反应速率，说明平衡向左移动，化学平衡常数减小；从t3开始是反应速率增大，平衡不移动，平衡常数相等；从t4开始是化学反应速率减少，而逆反应速率减小的少，大于正反应速率，平衡向左移动，平衡常数减小，故化学平衡常数最大的一段是t0～t1。 升高温度，平衡向左移动，故正向是放热反应ΔH<0。 答案 (1)1.5 mol·L－1·s－1 0.25 (2)① 小于 11．氨是重要的氮肥，是产量较大的化工产品之一。课本里介绍的合成氨技术称为哈伯法，是德国人哈伯在1905年发明的，其合成原理为： N2(g)＋3H22NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 他因此获得了1918年诺贝尔化学奖。试回答下列问题： (1)合成氨工业中采取的下列措施可用勒夏特列原理解释的是________。 A．采用较高压强(20～50 MPa) B．采用500 ℃的高温 C．用铁触媒作催化剂 D．将生成的氨液化并及时从体系中分离出来，剩余N2和H2循环到合成塔 中，并补充N2和H2 (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_________________________________________________________ _________________________________________________________________。 (4)1998年希腊亚里斯多德大学的Marmellos和Stoukides采用高质子导电性 的SCY陶瓷(能传递H＋)，实现了高温、常压下高转化率的电化学合成氨。其 实验装置如下图，则其阴极的电极反应式为____________________________。

解析 (1)勒夏特列原理只解释平衡移动问题。(2)根据氨的性质进行检验。(3) 合成氨的反应是可逆反应。(4)根据合成氨反应中的氧化剂、电解池中阴极反 应特点及电解质成分进行分析。 答案 (1)AD (2)用湿润的红色石蕊试纸放在管口处，若试纸变蓝则说明有氨气生成 (3)该反应是可逆反应，10 mol N2与30 mol H2不可能完全反应，所以放出的 热量小于10×92.4 kJ＝924 kJ (4)N2＋6H＋＋6e－===2NH3 12．四川有丰富的天然气资源，以天然气为原料合成尿素的主要步骤如下图所示(图中某些转化步骤及生成物未列出)：