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中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 课时跟踪训练(二) 人工固氮技术——合成氨 一、选择题(本题包括 10 小题,每小题 5 分,共 50 分) 1.合成氨工业上采用循环操作,主要是为了( ) A.加快反应速率 B.提高 NH3 的平衡浓度 C.降低 NH3 的沸点 D.提高 N2 和 H2 的利用率 2.工业上用氢气和氮气合成氨,氢气的主要来源是( ) A.水和碳氢化合物 B.电解水 C.锌和稀硫酸反应 D.液化空气 3.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 4.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.①④⑤⑦ B.③⑤⑧ C.②⑥ D.②③⑥⑦ 5.下列有关催化剂的性质、作用的说法正确的是( ) A.合成氨反应若不使用催化剂,该反应就不能进行 B.反应前后催化剂的质量不改变,但化学性质要改变 C.催化剂能缩短反应到达平衡所用的时间,但催化剂损耗量较大 D.催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率 6.对于可逆反应 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(放热反应),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 7.在一定条件下,进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占 22%,氢气的体积占 中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 78%,经合成反应达到平衡后,在相同温度和压强下,气体体积缩小至原体积的 95%,氮气 的转化率接近于( ) A.11.5% B.10.5% C.9.75% D.13.2% 8.对于合成氨的反应来说,使用催化剂和施以高压,下列叙述中正确的是( ) A.都能提高反应速率,都对化学平衡无影响 B.都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡状态所用的时间 C.都能缩短达到平衡状态所用的时间,只有增大压强对化学平衡状态有影响 D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而增大压强无此作用 9.一定条件下,合成氨气反应达到平衡时,测得混合气体中氨气的体积分数为 20.0%,与反应前的体积相比,反应后体积缩小的百分率是( ) A.16.7% B.20.0% C.80.0% D.83.3% 高催温化、高剂压 10.对于可逆反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确 的是( ) A.达到平衡后加入 N2,当重新达到平衡时,NH3 的浓度比原平衡的大,H2 的浓度比原 平衡也大 B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应的速率,又提高了 NH3 的产率 C.达到平衡后,缩小容器的体积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高氢气 的转化率 D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为正反应速率增大,逆反应速率减小 二、非选择题(本题包括 4 小题,共 50 分) 11.(12 分)工业上合成氨的化学反应为 N (g)+3H (g)一定条件2NH (g) (正反应为放 2 2 3 热反应)。 (1)使用铁触媒催化剂是为了_______________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)通常采用 1×107~3×107 Pa 的压强,原因是_______________________________ ________________________________________________________________________。 (3)选择 500 ℃左右的温度进行反应,是由于__________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)将生成的氨及时从混合气中分离出来,原因是______________________________ ________________________________________________________________________。 12.(12 分)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,其化学反应为:CH3COO[Cu(NH3)2]+CO+ 中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 NH3CH3COO[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 后的醋酸二氨合铜(Ⅰ)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________________________。 13.(12 分)已知工业合成氨的化学反应为:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) (放热反应)。 (1)化工生产条件选定的主要原因是(选填字母序号)________。 A.温度、压强对化学平衡的影响 B.铁触媒在该温度时活性大 C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 (2)改变反应条件,会使平衡发生移动。如下图像表示随条件改变,氨气的百分含量的 变化趋势。 当横坐标为压强时,变化趋势正确的是(选填字母序号)________,当横坐标为温度时, 变化趋势正确的是(选填字母序号)________。 (3)当甲烷制氢气合成氨气时,甲烷的转化率为 75%时,以 5.6×107 L 甲烷为原料能 够合成________L 氨气(假设气体体积均在标准状况下测定)。 14.(14 分)为了在实验室中利用工业原料制备少量氨气,有人设计了如下装置(图中 夹持装置均已略去)。 [实验操作] ①检查实验装置的气密性后,关闭弹簧夹 a、b、c、d、e。在 A 中加入 锌粒,向长颈漏斗中注入一定量稀硫酸。打开弹簧夹 c、d、e,则 A 中有氢气产生。在 F 出口处收集氢气并检验其纯度。 ②关闭弹簧夹 c,取下截去底部的细口瓶 C,打开弹簧夹 a,将氢气经导管 B 验纯后点 燃,然后立即罩上无底细口瓶 C,塞紧瓶塞,如图所示。氢气继续在瓶内燃烧,几分钟后 火焰熄灭。 ③用酒精灯加热反应管 E,继续通氢气,待无底细口瓶 C 内水位下降到液面保持不变 时,打开弹簧夹 b,无底细口瓶 C 内气体经 D 进入反应管 E,片刻后 F 中的溶液变红。 中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 回答下列问题: (1)检验氢气纯度的目的是________________________________________________。 (2)C 瓶内水位下降到液面保持不变时,A 装置内发生的现象是________,防止了实验 装置中压强过大。此时再打开弹簧夹 b 的原因是 _____________________________________, C 瓶内气体的成分是__________________。 (3)在步骤③中,先加热铁触媒的原因是_______________________________________ ________________________________________________________________________。 反应管 E 中发生反应的化学方程式是________________________________________ ________________________________________________________________________。 答 案 1.选 D 合成氨工业上采用循环压缩,将未反应的 N2、H2 重新压缩到合成塔中,提高 了 N2、H2 的利用率。 2.选 A B、C 项生产 H2 成本太高,不符合实际,D 项液化空气得 N2;A 项正确。 3.选 D 工业合成氨的热化学方程式为 N2(g)+3H2(g)2NH3(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。 高催温化、高剂压 4.选 C 合成氨反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0 的特点为:可逆、放热、气 体分子总数减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快,应选 C。 5.选 D 反应前后催化剂的质量和化学性质都没有改变,催化剂可以同等程度地改变 正、逆反应速率。 6.选 B 反应物和生成物浓度是否相等与反应是否达到平衡状态无关,A 不正确;升 高温度,不论放热反应还是吸热反应的反应速率都加快,C 不正确; 催化剂可以同等程度 地改变正逆反应的反应速率,D 不正确。 7.选 A 设混合气体的体积为 100 L,反应掉 N2 的体积为 x。 N2 + 3H22NH3 开始 22 L 78 L 0 平衡 22 L-x 78 L-3x 2x 中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 22 L-x+78 L-3x+2x 由题意: 22 L+78 L =95% 解得 x=2.5 L 2.5 L α(N2)=22 L×100%=11.4%。 8.选 C 对化学反应 N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化剂只能提高反应速率使反应达 到平衡状态所用的时间缩短,不能使化学平衡发生移动。施以高压能提高反应速率,使反 应达到平衡状态所用的时间缩短,也能使化学平衡向生成 NH3 的反应方向移动。 9.选 A 设达到平衡后混合气体的体积为 1L,则其中生成的氨气的体积为 1 L×20.0%= 0.2 L。则根据反应的化学方程式有: N2+3H22NH3 ΔV 1 3 2 2 0.2 L 0.2 L 所以平衡前混合气体的体积为 1 L+0.2 L=1.2 L,因此反应后气体体积缩小率为 0.2 L 1.2 L×100%=16.7%。 10.选 C 达到平衡后,加入 N2 平衡向正反应方向移动,NH3 的浓度增大了,而 H2 的 浓度会减小;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动, 不利于 NH3 的生成;达到平衡后,缩小体积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向 正反应方向移动,有利于提高 H2 的转化率;加入催化剂,能同等程度地增大正、逆反应速 率,缩短反应达到平衡的时间。 11.解析:工业合成氨使用铁触媒是为了提高化学反应速率;采用 1×107~3×107 Pa 的压强一方面是为了提高反应速率,同时也可以增大反应物的转化率,但更高的压强则 受到设备的限制;选择 500 ℃左右的温度,一方面是为了提高反应速率,更主要的是因为 催化剂的活性在此温度时最大;将生成的氨液化后分离出来可使平衡向右移动,反应物的 转化率能大大提高。 答案:(1)提高反应速率 (2)该反应是一个气体体积减小的反应,增大压强,有利于平衡向正反应方向移动,压 强过高,对动力、设备要求过高,成本增大,也会降低经济效益,所以综合考虑,通常采 用 1×107~3×107 Pa 的压强 (3)合成氨的反应是放热反应,温度升高,不利于氨的生成,但温度过低,反应速率很 慢,故采用 500 ℃左右的适宜温度,且 500 ℃左右时催化剂的活性最大 (4)减小生成物氨的浓度,有利于化学平衡向正反应方向移动 12.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。题中指出:在 合成氨的过程中必须除去 CO,因此 CO 是属于使催化剂中毒的物质。从吸收 CO 的化学方程 中国现代教育网 www.30edu.com 全国最大教师交流平台 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 尽可能地被 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,即要 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 13.解析:(1)合成氨工业条件的选择,增大压强,加快反应速率,提高氨的产率,升 高温度主要是考虑催化剂的活性,故 A 不正确,B 正确;压强不能无限大,要考虑设备、 材料、动力的限制,C 正确。 (2)增大压强,平衡正向移动,图像 b 正确;升高温度,平衡逆向移动,图像 a 正确。 (3)由 CH4 合成氨要经过以下化学反应: CH4+H2O===CO+3H2 CO+H2O===CO2+H2 3H2+N22NH3 8 则 CH4 与 NH3 之间的对应关系是 CH4~3NH3 8 合成氨的体积为 5.6×107 L×75%×3=1.12×108 L。 答案:(1)BC (2)b a (3)1.12×108 14.解析:依据本题思路检验氢气纯度的目的是排除空气,保证实验安全;C 瓶内水 位下降到液面保持不变时,A 装置内发生的现象是锌粒与酸脱离;此时再打开弹簧夹 b 的 原因是尽量增大氢气的浓度以提高氮气的转化率;此时 C 瓶内气体的成分是 N2 和 H2;在步 骤③中,先加热铁触媒的原因是铁触媒在较高温度时活性增大,加快合成氨的反应速率; 铁触△ 媒 反应管 E 中发生反应的化学方程式是 N2+3H2 2NH3。 答案:(1)排除空气,保证实验安全 (2)锌粒与酸脱离 尽量增大氢气的浓度以提高 氮气的转化率 N2、H2 铁触△ 媒 (3)铁触媒在较高温度时活性增大,加快合成氨的反应速率 N2+3H2 2NH3