2018年高中化學(xué) 第一單元 走進(jìn)化學(xué)工業(yè) 課題2 人工固氮技術(shù)——合成氨教學(xué)案 新人教版選修2.doc

課題2人工固氮技術(shù)——合成氨 合成氨的反應(yīng)原理 [自讀教材夯基礎(chǔ)] 1．氮的固定 使空氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)的氮的方法叫氮的固定。 2．合成氨原理 (1)實(shí)驗(yàn)裝置： (2)現(xiàn)象：濕潤(rùn)的pH試紙變?yōu)樗{(lán)色。 (3)化學(xué)方程式：N2＋3H22NH3(放熱反應(yīng))。 3．工業(yè)合成氨的條件 [跟隨名師解疑難] (1)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的放熱反應(yīng)。 (2)合成氨條件的選擇： ①壓強(qiáng)：無(wú)論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡考慮，壓強(qiáng)越大越有利于合成氨。但壓強(qiáng)太大，動(dòng)力消耗大，設(shè)備的質(zhì)量和制造水平要求高，故必須綜合考慮。目前我國(guó)合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)在10～30 MPa之間。 ②溫度：對(duì)于放熱反應(yīng)，升溫可提高反應(yīng)速率，但轉(zhuǎn)化率降低，若溫度太低，反應(yīng)速率又太慢，綜合考慮以500 ℃左右為宜，而且在此溫度下催化劑活性最大。 ③催化劑：加快反應(yīng)速率但不影響平衡，可以提高單位時(shí)間內(nèi)氨的產(chǎn)量。目前工業(yè)上多以鐵觸媒為催化劑。 [剖析典例探技法] [例1]　有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，不能用勒夏特列原理解釋的是(　　) A．使用鐵觸媒有利于合成氨的反應(yīng) B．高壓比常壓更有利于合成氨的反應(yīng) C．500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng) D．使反應(yīng)混合物中的氨液化有利于合成氨的反應(yīng) [名師解析]　使用鐵觸媒，可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，但平衡不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，不能用勒夏特列原理解釋?zhuān)缓铣砂钡姆磻?yīng)是放熱反應(yīng)，低溫雖可提高平衡混合物中NH3的含量，但反應(yīng)速率太慢，而溫度太高，雖能加快反應(yīng)速率，卻使平衡混合物中NH3的含量降低，因此工業(yè)生產(chǎn)中一般采用500 ℃左右的溫度，此時(shí)催化劑的活性最大，故不能用勒夏特列原理解釋。 [答案]　AC [名師點(diǎn)睛] 合成氨條件的理論分析與實(shí)際化工條件比較 理論角度 實(shí)際化工條件 速率角度 提高反應(yīng)速率的條件： ①升高溫度；②增大壓強(qiáng)；③增大反應(yīng)物濃度；④使用催化劑 溫度：400～500℃ 壓強(qiáng)：10～30 Mpa 催化劑：以鐵為主 平衡角度 ①溫度越高，NH3的產(chǎn)率越低；②壓強(qiáng)越大，NH3的產(chǎn)率越高；③不斷分離出NH3，有利于提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 合成氨的基本生產(chǎn)過(guò)程 [自讀教材夯基礎(chǔ)] 合成氨的生產(chǎn)主要包括三個(gè)步驟：造氣、凈化、合成。 1．制備合成氨的原料氣 CH4＋H2OCO＋3H2、 CH4＋2H2OCO2＋4H2。 2．原料氣的凈化 (1)目的是防止催化劑中毒。 (2)原料氣的凈化： ①用稀氨水吸收H2S的化學(xué)方程式： H2S＋NH3H2O===NH4HS＋H2O。 ②除去CO的有關(guān)化學(xué)方程式： CO＋H2OCO2＋H2， CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3。 ③精制原料氣：用醋酸、銅和氨配制成的溶液來(lái)吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害氣體。 3．氨的合成與分離 (1)氨的合成：將凈化后的原料氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮至高壓，進(jìn)入合成塔，在高溫、高壓和催化劑作用下合成氨。 (2)從合成塔出來(lái)的混合氣體，通常約含15%(體積分?jǐn)?shù))的氨，要把混合氣體通過(guò)冷凝器使氨液化，然后在氣體分離器里把液態(tài)氨分離并導(dǎo)入液氨貯罐，氣體再經(jīng)過(guò)循環(huán)壓縮機(jī)送到合成塔中進(jìn)行反應(yīng)。 [跟隨名師解疑難] (1)生產(chǎn)中常使廉價(jià)易得的原料適當(dāng)過(guò)量，以提高另一原料的利用率。因此合成氨生產(chǎn)中常適當(dāng)提高N2的比例。 (2)為了充分利用原料，化工生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常采用循環(huán)操作過(guò)程，即將沒(méi)有反應(yīng)的物質(zhì)從反應(yīng)后的混合物中分離出來(lái)，并重新送回反應(yīng)器中。 [剖析典例探技法] [例2]　下圖是合成氨的簡(jiǎn)易流程示意圖，沿X路線(xiàn)回去的物質(zhì)是(　　) A．N2、H2　　　　　　　 B．催化劑 C．N2 D．H2 [名師解析]　從合成塔中出來(lái)的混合氣體經(jīng)冷凝分離出液氨后剩下未反應(yīng)的N2、H2，可以進(jìn)行循環(huán)繼續(xù)參與氨的合成。 [答案]　A [名師點(diǎn)睛] 為了提高合成氨生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，有三點(diǎn)是不可忽視的：①使原料氣中n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②將從反應(yīng)混合物中分離出來(lái)的氮?dú)夂蜌錃庵匦聣嚎s后輸入合成塔再次利用；③及時(shí)將NH3從平衡混合物中分離出來(lái)。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 [自讀教材夯基礎(chǔ)] 1．原料及原料氣的凈化 現(xiàn)在已經(jīng)使用各種不同的固態(tài)可燃物(煤和焦炭等)、液態(tài)可燃物(石油中提煉的石腦油和重油等)和氣態(tài)可燃物(天然氣、焦?fàn)t氣等)作為制氨氣的原料。 2．催化劑的改進(jìn) 催化反應(yīng)過(guò)程的工藝條件常常決定于催化劑的性能，由于催化劑的突破而徹底改變工藝過(guò)程及條件的事例屢見(jiàn)不鮮。 3．環(huán)境保護(hù) 廢渣：可作建材和肥料的原料。 廢氣：主要是H2S和CO2等有害氣體，CO2雖然是無(wú)毒、無(wú)害的物質(zhì)，但隨著人們對(duì)其可能產(chǎn)生溫室效應(yīng)的關(guān)注，減少CO2的排放逐漸受到重視。 廢液：主要是含氰化物和含氨的污水。 [剖析典例探技法] [例3]　為了進(jìn)一步提高合成氨的生產(chǎn)效率，科研中具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的是(　　) A．研制高溫下活性較大的催化劑 B．尋求NH3的新來(lái)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 [名師解析]　合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率。研制低溫下活性大的催化劑可改善工藝過(guò)程，降低成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。 [答案]　C 合成氨的生產(chǎn)工藝 (1)生產(chǎn)原理：N2＋3H22NH3。 (2)生產(chǎn)條件 (3)工藝流程： (4)三廢處理。 化工生產(chǎn)中反應(yīng)條件選擇的基本思路 (1)目的：盡可能加快化學(xué)反應(yīng)的速率和提高化學(xué)反應(yīng)的程度。 (2)依據(jù)：外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率和化學(xué)平衡的影響。 (3)原則：①既要注意外界條件對(duì)兩者影響的一致性，又要注意對(duì)兩者影響的矛盾性。②既要注意溫度、催化劑對(duì)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制。③既要注意理論生產(chǎn)，又要注意實(shí)際可能性。 1．合成氨的反應(yīng)采用400～500 ℃溫度的原因是(　　) A．溫度太低反應(yīng)速率太小 B．該溫度時(shí)催化劑活性較高 C．該溫度時(shí)反應(yīng)速率最大 D．該溫度時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率最高 解析：在400～500 ℃時(shí)催化劑的活性較高。 答案：B 2．[雙選題]下列關(guān)于氮?dú)?、氫氣合成氨的說(shuō)法中，正確的是(　　) A．將氮?dú)?、氫氣合成氨，必須施加高溫、高壓、催化劑等反?yīng)條件 B．在氮?dú)狻錃夂铣砂钡幕瘜W(xué)反應(yīng)中，催化劑的性能對(duì)反應(yīng)物的溫度和壓強(qiáng)的高低具有一定的制約作用 C．現(xiàn)代工業(yè)上實(shí)施的合成氨壓強(qiáng)越高越有利 D．現(xiàn)代工業(yè)上實(shí)施的合成氨屬于人工固氮 解析：催化劑是影響化學(xué)反應(yīng)速率外部因素中的主角，催化劑固有性能的發(fā)揮與溫度有直接的關(guān)系，溫度太高或太低，都會(huì)降低催化劑的活性，A錯(cuò)誤，B正確；壓強(qiáng)越高越有利于氨的合成，但在工業(yè)生產(chǎn)中受到設(shè)備等多方面的制約，并不是壓強(qiáng)越高經(jīng)濟(jì)效益越好，C錯(cuò)誤；將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮屬于氮的固定，D正確。 答案：BD 3．合成氨工業(yè)有下列生產(chǎn)流程：①原料氣的制備；②氨的合成；③原料氣的凈化和壓縮；④氨的分離。其先后順序正確的是(　　) A．①②③④　　　　　　　　 B．①③②④ C．①③④② D．②③①④ 解析：原料氣(N2、H2)經(jīng)凈化、壓縮后再送入合成塔。 答案：B 4．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法中，正確的是(　　) A．從合成塔出來(lái)的混合氣體中，其中NH3只占15%，所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中循環(huán)使用，所以總體來(lái)說(shuō)，氨的產(chǎn)率很高 C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 ℃左右，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) D．我國(guó)合成氨廠采用的壓強(qiáng)是10～30 MPa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大 解析：雖然合成氨反應(yīng)中N2、H2的轉(zhuǎn)化率較低，但是，由于氨易液化，及時(shí)將氨液化分離，N2、H2循環(huán)使用，總體來(lái)說(shuō)氨的產(chǎn)率還是很高的，B正確。 答案：B 5．工業(yè)合成氨是在一定條件下進(jìn)行的可逆反應(yīng)： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 其部分工藝流程如下圖所示： 請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)第②步除需要催化劑這個(gè)條件外，還需要的條件是________________________ ______________________________________________________________________。 (2)第①步操作中的原料氣的“凈化”目的是__________________________________ ________________________________________________________________________， 第③步操作中的目的是____________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)工業(yè)合成氨反應(yīng)后可以通過(guò)降低混合氣體的溫度而使氨氣分離出來(lái)。這種分離物質(zhì)的方法的原理類(lèi)似于下列中的________(填編號(hào))。 a．過(guò)濾 b．蒸餾 c．分液 d．萃取 你作出這個(gè)判斷的理由是_________________________________________________ _______________________________________________________________________。 (4)可以用氯氣來(lái)檢驗(yàn)輸送氨氣的管道是否漏氣，如果漏氣則會(huì)有白煙生成。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________。 解析：(1)工業(yè)合成氨需要條件為：高溫、高壓、催化劑。 (2)原料氣中往往含有使催化劑中毒的物質(zhì)，所以在進(jìn)行原料氣的反應(yīng)前，需要除掉其中的雜質(zhì)；工業(yè)合成氨反應(yīng)后的混合氣體中既有氨氣，也有未反應(yīng)的氫氣、氮?dú)?，為了提高原料氣的利用率，將未反?yīng)的原料氣進(jìn)行重新利用，這樣可以提高經(jīng)濟(jì)效益。 (3)降低溫度，氨變?yōu)橐簯B(tài)，從而進(jìn)行分離，所以跟工業(yè)上利用的蒸餾類(lèi)似，都是通過(guò)改變溫度，使物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化而分離。 (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2，NH4Cl的固體小顆粒形成白煙。 答案：(1)高溫、高壓 (2)防止催化劑中毒　提高原料利用率(或提高經(jīng)濟(jì)效益等) (3)b　通過(guò)溫度的改變而改變物質(zhì)的狀態(tài)，達(dá)到分離的目的 (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2 [高考感悟] 1．(全國(guó)卷Ⅰ)在容積可變的密閉容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)，H2的轉(zhuǎn)化率為25%，則平衡時(shí)氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)接近于(　　) A．5%　　　　　　　 B．10% C．15% D．20% 解析：本題考查化學(xué)平衡的計(jì)算，意在考查考生的計(jì)算能力。 　　　　　　　N2(g)?。?H2(g)2NH3(g) 起始物質(zhì)的量/mol 2 8 0 轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量/mol 2/3 2 4/3 平衡物質(zhì)的量/mol 4/3 6 4/3 故平衡時(shí)氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)為100%≈15%。 答案：C 2．(上海高考節(jié)選)合成氨工藝的一個(gè)重要工序是銅洗，其目的是用銅液[醋酸二氨合銅(Ⅰ)、氨水]吸收在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO和CO2等氣體。銅液吸收CO的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為： Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]Ac 完成下列填空： (1)如果要提高上述反應(yīng)的反應(yīng)速率，可以采取的措施是________。(選填編號(hào)) a．減壓　b．增加NH3濃度　c．升溫　d．及時(shí)移走產(chǎn)物 (2)銅液中的氨可吸收二氧化碳，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。 ________________________________________________________________________ (3)簡(jiǎn)述銅液吸收CO及銅液再生的操作步驟(注明吸收和再生的條件)。 ________________________________________________________________________ 解析：(1)降低壓強(qiáng)，反應(yīng)速率減小，a不正確；增加NH3的濃度或升高溫度，反應(yīng)速率均增大bc正確；及時(shí)移走產(chǎn)物，即降低生成物濃度，反應(yīng)速率也減小，d不正確。 (2)氨氣是堿性氣體，CO2是酸性氣體，二者反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NH3＋CO2＋H2O===(NH2)2CO3、(NH2)2CO3＋CO2＋H2O===2NH4HCO3。 (3)根據(jù)Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]Ac可知，該反應(yīng)是體積減小的放熱的可逆反應(yīng)，因此吸收CO的適宜條件是低溫、加壓，若要再生，則只需要將銅液洗滌轉(zhuǎn)移至另一容器中；然后高溫低壓下釋放CO，最后將銅洗液循環(huán)利用即可。 答案：(1)bc　(2)2NH3＋CO2＋H2O―→(NH4)2CO3、(NH4)2CO3＋CO2＋H2O―→2NH4HCO (3)①低溫加壓下吸收CO；②然后將銅液洗滌轉(zhuǎn)移至另一容器中；③高溫低壓下釋放CO，然后將銅洗液循環(huán)利用。 3．(上海春季高考)1913 年德國(guó)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(mǎn)足了當(dāng)時(shí)日益增長(zhǎng)的人口對(duì)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N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(放熱反應(yīng))，加壓、降溫、減小NH3的濃度均有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，②、④正確；將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉(zhuǎn)化率，⑤正確。 答案：B [課時(shí)跟蹤訓(xùn)練] 一、選擇題(本題包括10小題，每小題5分，共50分) 1．合成氨工業(yè)上采用循環(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(diǎn) D．提高N2和H2的利用率 解析：合成氨工業(yè)上采用循環(huán)壓縮，將未反應(yīng)的N2、H2重新壓縮到合成塔中，提高了N2、H2的利用率。 答案：D 2．工業(yè)上用氫氣和氮?dú)夂铣砂?，氫氣的主要?lái)源是(　　) A．水和碳?xì)浠衔? B．電解水 C．鋅和稀硫酸反應(yīng) D．液化空氣 解析：B、C項(xiàng)生產(chǎn)H2成本太高，不符合實(shí)際，D項(xiàng)液化空氣得N2；A項(xiàng)正確。 答案：A 3．合成氨工業(yè)中控制的反應(yīng)條件應(yīng)(　　) A．溫度越高越好 B．壓強(qiáng)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(xué)方程式為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJmol－1，似乎壓強(qiáng)越大就越有利于平衡向合成氨的方向移動(dòng)，溫度越高達(dá)到平衡的時(shí)間就越短，易錯(cuò)選A或B。實(shí)際上在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，壓強(qiáng)不能太大，否則能耗太高，并且對(duì)設(shè)備的要求高。而根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，此反應(yīng)溫度越低越有利于平衡向正方向移動(dòng)，但溫度太低，則催化劑的催化活性不能很好地發(fā)揮，反應(yīng)速率太慢；為解決上述矛盾，一般選擇使催化劑活性最大時(shí)的溫度。 答案：D 4．合成氨時(shí)既要使氨的產(chǎn)率增大，又要使反應(yīng)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(shí)從平衡混合氣中分離出NH3　⑥補(bǔ)充N(xiāo)2或H2?、呒哟呋瘎鄿p小N2或H2的量 A．①④⑤⑦ B．③⑤⑧ C．②⑥ D．②③⑥⑦ 解析：合成氨反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的特點(diǎn)為：可逆、放熱、氣體分子總數(shù)減小。要使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)且反應(yīng)速率加快，應(yīng)選C。 答案：C 5．下列有關(guān)催化劑的性質(zhì)、作用的說(shuō)法正確的是(　　) A．合成氨反應(yīng)若不使用催化劑，該反應(yīng)就不能進(jìn)行 B．反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量不改變，但化學(xué)性質(zhì)要改變 C．催化劑能縮短反應(yīng)到達(dá)平衡所用的時(shí)間，但催化劑損耗量較大 D．催化劑可以同等程度地改變正、逆反應(yīng)速率 解析：反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)都沒(méi)有改變，催化劑可以同等程度地改變正、逆反應(yīng)速率。 答案：D 6．對(duì)于可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(放熱反應(yīng))，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)物和生成物濃度一定相等 B．達(dá)到平衡后加入氨氣，重新達(dá)到平衡時(shí)，氨氣的濃度比原平衡時(shí)大 C．達(dá)到平衡時(shí)，升高溫度加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)的方向移動(dòng) D．加入催化劑可以縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，這是因?yàn)榧涌炝苏磻?yīng)的速率，而減慢了逆反應(yīng)的速率 解析：反應(yīng)物和生成物濃度是否相等與反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，A不正確；升高溫度，不論放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)的反應(yīng)速率都加快，C不正確； 催化劑可以同等程度地改變正逆反應(yīng)的反應(yīng)速率，D不正確。 答案：B 7．在一定條件下，進(jìn)入氨合成塔的混合氣體中氮?dú)獾捏w積占22%，氫氣的體積占78%，經(jīng)合成反應(yīng)達(dá)到平衡后，在相同溫度和壓強(qiáng)下，氣體體積縮小至原體積的95%，氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率接近于(　　) A．11.5% B．10.5% C．9.75% D．13.2% 解析：設(shè)混合氣體的體積為100 L，反應(yīng)掉N2的體積為x。 　　　 　N2　 ＋　3H22NH3 　開(kāi)始　22 L　　　78 L　　 0 　平衡　22 L－x　 78 L－3x　2x 　由題意：＝95% 　解得x＝2.5 L 　α(N2)＝100%＝11.4%。 答案：A 8．對(duì)于合成氨的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，使用催化劑和施以高壓，下列敘述中正確的是(　　) A．都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡無(wú)影響 B．都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間 C．都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有增大壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響 D．催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而增大壓強(qiáng)無(wú)此作用 解析：對(duì)化學(xué)反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能提高反應(yīng)速率使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間縮短，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。施以高壓能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的反應(yīng)方向移動(dòng)。 答案：C 9．一定條件下，合成氨氣反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)為20.0%，與反應(yīng)前的體積相比，反應(yīng)后體積縮小的百分率是(　　) A．16.7% B．20.0% C．80.0% D．83.3% 解析：設(shè)達(dá)到平衡后混合氣體的體積為1L，則其中生成的氨氣的體積為1 L20.0%＝0.2 L。則根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式有： N2＋3H22NH3　ΔV 1 3 2 2 0.2 L 0.2 L 所以平衡前混合氣體的體積為1 L＋0.2 L＝1.2 L，因此反應(yīng)后氣體體積縮小率為100%＝16.7%。 答案：A 10．對(duì)于可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．達(dá)到平衡后加入N2，當(dāng)重新達(dá)到平衡時(shí)，NH3的濃度比原平衡的大，H2的濃度比原平衡也大 B．達(dá)到平衡后，升高溫度，既加快了正、逆反應(yīng)的速率，又提高了NH3的產(chǎn)率 C．達(dá)到平衡后，縮小容器的體積，既有利于加快正、逆反應(yīng)速率，又有利于提高氫氣的轉(zhuǎn)化率 D．加入催化劑可以縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，是因?yàn)檎磻?yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率減小 解析：達(dá)到平衡后，加入N2平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，NH3的濃度增大了，而H2的濃度會(huì)減??；達(dá)到平衡后，升高溫度，正、逆反應(yīng)速率都增大，但平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，不利于NH3的生成；達(dá)到平衡后，縮小體積即增大壓強(qiáng)，正、逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；加入催化劑，能同等程度地增大正、逆反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間。 答案：C 二、非選擇題(本題包括4小題，共50分) 11．(12分)工業(yè)上合成氨的化學(xué)反應(yīng)為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。 (1)使用鐵觸媒催化劑是為了_________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)通常采用1107～3107 Pa的壓強(qiáng)，原因是________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)選擇500 ℃左右的溫度進(jìn)行反應(yīng)，是由于__________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來(lái)，原因是______________________________ ________________________________________________________________________。 解析：工業(yè)合成氨使用鐵觸媒是為了提高化學(xué)反應(yīng)速率；采用1107～3107 Pa的壓強(qiáng)一方面是為了提高反應(yīng)速率，同時(shí)也可以增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但更高的壓強(qiáng)則受到設(shè)備的限制；選擇500 ℃左右的溫度，一方面是為了提高反應(yīng)速率，更主要的是因?yàn)榇呋瘎┑幕钚栽诖藴囟葧r(shí)最大；將生成的氨液化后分離出來(lái)可使平衡向右移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率能大大提高。 答案：(1)提高反應(yīng)速率 (2)該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，壓強(qiáng)過(guò)高，對(duì)動(dòng)力、設(shè)備要求過(guò)高，成本增大，也會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益，所以綜合考慮，通常采用1107～3107 Pa的壓強(qiáng) (3)合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，不利于氨的生成，但溫度過(guò)低，反應(yīng)速率很慢，故采用500 ℃左右的適宜溫度，且500 ℃左右時(shí)催化劑的活性最大 (4)減小生成物氨的濃度，有利于化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 12．(12分)合成氨工業(yè)中，原料氣(N2、H2，混有少量CO、NH3)在進(jìn)入合成塔之前，常用醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來(lái)吸收CO，其化學(xué)反應(yīng)為：CH3COO[Cu(NH3)2]＋CO＋NH3CH3COO[Cu(NH3)3]CO (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。 (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后的醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液經(jīng)適當(dāng)處理又可再生，恢復(fù)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)。題中指出：在合成氨的過(guò)程中必須除去CO，因此CO是屬于使催化劑中毒的物質(zhì)。從吸收CO的化學(xué)方程式可得：吸收CO的反應(yīng)是正反應(yīng)為氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，因此為了使CO盡可能地被吸收，應(yīng)采取高壓、低溫的辦法使平衡正向移動(dòng)；要使醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液再生，即要使平衡逆向移動(dòng)，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 13．(12分)已知工業(yè)合成氨的反應(yīng)為： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(放熱反應(yīng)) (1)化工生產(chǎn)條件選定的主要原因是(選填字母序號(hào))________。 A．溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響 B．鐵觸媒在該溫度時(shí)活性大 C．工業(yè)生產(chǎn)受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制 (2)改變反應(yīng)條件，會(huì)使平衡發(fā)生移動(dòng)。下圖表示隨條件改變氨氣的百分含量的變化趨勢(shì)。 當(dāng)橫坐標(biāo)為壓強(qiáng)時(shí)，變化趨勢(shì)正確的是(選填字母序號(hào))________，當(dāng)橫坐標(biāo)為溫度時(shí)，變化趨勢(shì)正確的是(選填字母序號(hào))________。 (3)當(dāng)甲烷制氫氣合成氨氣時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率為75%時(shí)，以5.6107 L甲烷為原料能夠合成________L氨氣(假設(shè)氣體體積均在標(biāo)準(zhǔn)狀況下測(cè)定)。 解析：(1)合成氨工業(yè)條件的選擇，增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率，提高氨的產(chǎn)率，升高溫度主要是考慮催化劑的活性，故A不正確，B正確；壓強(qiáng)不能無(wú)限大，要考慮設(shè)備、材料、動(dòng)力的限制，C正確。 (2)增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，b正確；升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，a正確。 (3)由CH4合成氨要經(jīng)過(guò)以下化學(xué)反應(yīng)： CH4＋H2O===CO＋3H2 CO＋H2O===CO2＋H2 3H2＋N22NH3 則CH4與NH3之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是CH4～NH3 合成氨的體積為5.6107 L75%＝1.12108 L。 答案：(1)BC　(2)b　a　(3)1.12108 14．(14分)為了在實(shí)驗(yàn)室中利用工業(yè)原料制備少量氨氣，有人設(shè)計(jì)了如下裝置(圖中夾持裝置均已略去)。 [實(shí)驗(yàn)操作]?、贆z查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性后，關(guān)閉彈簧夾a、b、c、d、e。在A中加入鋅粒，向長(zhǎng)頸漏斗中注入一定量稀硫酸。打開(kāi)彈簧夾c、d、e，則A中有氫氣產(chǎn)生。在F出口處收集氫氣并檢驗(yàn)其純度。 ②關(guān)閉彈簧夾c，取下截去底部的細(xì)口瓶C，打開(kāi)彈簧夾a，將氫氣經(jīng)導(dǎo)管B驗(yàn)純后點(diǎn)燃，然后立即罩上無(wú)底細(xì)口瓶C，塞緊瓶塞，如圖所示。氫氣繼續(xù)在瓶?jī)?nèi)燃燒，幾分鐘后火焰熄滅。 ③用酒精燈加熱反應(yīng)管E，繼續(xù)通氫氣，待無(wú)底細(xì)口瓶C內(nèi)水位下降到液面保持不變時(shí)，打開(kāi)彈簧夾b，無(wú)底細(xì)口瓶C內(nèi)氣體經(jīng)D進(jìn)入反應(yīng)管E，片刻后F中的溶液變紅。 回答下列問(wèn)題： (1)檢驗(yàn)氫氣純度的目的是__________________________________________________。 (2)C瓶?jī)?nèi)水位下降到液面保持不變時(shí)，A裝置內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象是________，防止了實(shí)驗(yàn)裝置中壓強(qiáng)過(guò)大。此時(shí)再打開(kāi)彈簧夾b的原因是_____________________________________， C瓶?jī)?nèi)氣體的成分是__________________。 (3)在步驟③中，先加熱鐵觸媒的原因是______________________________________ ________________________________________________________________________。 反應(yīng)管E中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是____________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：依據(jù)本題思路檢驗(yàn)氫氣純度的目的是排除空氣，保證實(shí)驗(yàn)安全；C瓶?jī)?nèi)水位下降到液面保持不變時(shí)，A裝置內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象是鋅粒與酸脫離；此時(shí)再打開(kāi)彈簧夾b的原因是盡量增大氫氣的濃度以提高氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率；此時(shí)C瓶?jī)?nèi)氣體的成分是N2和H2；在步驟③中，先加熱鐵觸媒的原因是鐵觸媒在較高溫度時(shí)活性增大，加快合成氨的反應(yīng)速率；反應(yīng)管E中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是N2＋3H22NH3。 答案：(1)排除空氣，保證實(shí)驗(yàn)安全　(2)鋅粒與酸脫離　盡量增大氫氣的濃度以提高氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率　N2、H2 (3)鐵觸媒在較高溫度時(shí)活性增大，加快合成氨的反應(yīng)速率　N2＋3H22NH3