2019高中化學 第一單元 走進化學工業(yè) 1.2 人工固氮技術——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——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化為蛋白質 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.以氨氣為原料生產各種化肥 解析:豆科植物的根瘤菌將氮氣轉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生產各種化肥,是氮的化合物之間的轉化過程,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轉化率的措施是(　　) A.延長反應時間 B.充入過量H2 C.充入過量N2 D.升高溫度 解析:A項不能提高轉化率,B、D項反而會降低H2轉化率;只有充入過量N2才能使平衡向正反應方向移動,提高H2轉化率,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.化工生產中,為加快反應速率應優(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.增大反應物濃度 解析:化工生產中應首先考慮的是生產成本,因此應先考慮使用催化劑,提高反應速率。 答案:A 5.合成氨生產過程采取的措施與化學平衡移動原理無關的是(　　) 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反應速率,對平衡移動無影響。 答案:C 6.下列有關合成氨工業(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在實際生產中循環(huán)使用,所以總體來說,氨的產率很高 C.合成氨工業(yè)的反應溫度控制在400~500 ℃,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NH3的效率還是很高的,因此A項錯誤;控制反應溫度為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,其中為提高原料轉化率而采取的措施是(　　) A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④ 解析:合成氨反應為氣體分子總數(shù)減小的放熱反應,操作①是為了除去雜質,防止水蒸氣對反應產生不良影響;②增大壓強,有利于該反應向右進行,能夠提高轉化率;③催化劑只能加快反應,不影響化學平衡,故不能提高轉化率;④將產物NH3液化分離和⑤循環(huán)操作,均能使原料被更充分地利用,提高原料的轉化率。 答案:B 8.某化學學習小組在實驗室模擬工業(yè)生產制備少量氨氣,設計了如下實驗: 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、關情況為　　　　,如何判斷氧氣已經完全被消耗掉　; (4)在步驟③中,先加熱鐵觸媒,后通入混合氣體的原因是 　, 反應管D中發(fā)生反應的化學方程式是　; (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,應該關閉彈簧夾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產生不良影響,應該在反應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,應該設有尾氣處理裝置。 答案:(1)防止因氫氣不純而發(fā)生爆炸 (2)①⑤④②③⑥ (3)關閉彈簧夾b、c,打開a　氫氣在C瓶內燃燒,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該先通過干燥裝置,再通入反應裝置;⑦后應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的有關反應的化學方程式: ①C+H2O(g)CO+H2 ②CO+H2O(g)CO2+H2 ③N2+3H22NH3 參加反應的焦炭與氨氣之間的物質的量之比約為(　　) A.3∶4 B.3∶2 C.2∶3 D.1∶2 解析:由反應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,氨的轉化率為10%~15%;最近美國俄勒岡大學的化學家使用了一種名為trans-Fe(DMeOPrPE)2的催化劑,在常溫下合成出氨。下列有關說法中錯誤的是(　　) A.哈伯法合成氨是吸熱反應,新法合成氨是放熱反應 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鍵 D.新的催化劑降低了反應所需要的能量 解析:吸熱反應和放熱反應是由反應物和生成物所具有的能量的相對大小決定的,與反應的條件無關,所以A項錯誤。根據(jù)題意可判斷利用催化劑降低了反應所需能量,所以反應在常溫下可以進行,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,在某催化劑作用下只發(fā)生主反應①和副反應②,有關物質產率與溫度的關系如圖。 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,溫度應控制在780~840 ℃之間 B.為了提高反應速率,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的產率最高,A正確;反應①中O2不能過量,因為2NO+O22NO2,B錯誤;主反應①是氣體分子總數(shù)增大的反應,加壓不利于NO的生成,C錯誤;由反應(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,則氮氣的轉化率為(　　) A.75% B.50% C.25% D.20% 解析:設起始物質的量分別是6mol,18mol,1mol 　　　　N2　+　3H22NH3 起始n/mol 6 18 1 轉化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的轉化率為326100%=25% 答案:C 5.氨在國民經濟中占有重要地位,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,則反應中還原劑與氧化劑的物質的量之比是　　　。 Ⅲ.氨的合成。 (5)據(jù)報道,科學家采用高質子導電性的SCY陶瓷(能傳遞H+)為介質,用吸附在它內外表面上的金屬鈀多晶薄膜作電極,實現(xiàn)了高溫常壓下高轉化率的電化學合成氨。其實驗裝置如圖。請寫出鈀電極A上的電極反應式: 　。 解析:由化學方程式可知此反應為放熱反應,反應前有氣體,反應后無氣體,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加熱后反應制取氮氣。 (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,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方程式:　　　　　　　　　　　　　　。 (6)反應結束后錐形瓶內的溶液中含有H+、OH-、　　　　、　　　。 解析:氮氣用氯化銨溶液和亞硝酸鈉溶液加熱反應制取,故選a裝置;氫氣用鋅與稀硫酸反應制取,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,鉑絲保持紅熱,錐形瓶中發(fā)生下列反應: 4NH3+5O24NO+6H2O,2NO+O22NO2故有紅棕色氣體產生,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)氨的催化氧化反應是一個放熱反應　有紅棕色氣體產生 (5)4NH3+5O24NO+6H2O　(6)NH4+　NO3-