高中化學(xué) 主題1 空氣資源 氨的合成 課題2 氨的工業(yè)合成學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 魯科版選修2

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氨的工業(yè)合成 (建議用時(shí)：45分鐘) [學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 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】　循環(huán)操作后增大了反應(yīng)物N2和H2的濃度，加快了反應(yīng)速率，提高了NH3的平衡濃度，但主要是提高N2和H2的利用率，不至于浪費(fèi)原料。 【答案】　D 2．合成氨過(guò)程中為提高原料氫氣的轉(zhuǎn)化率而所采取的下列措施中不正確的是(　　) A．不斷將NH3分離出來(lái)　　 B．使用過(guò)量的N2 C．采用高溫 D．采用高壓 【解析】　由N2＋3H22NH3的特點(diǎn)可知，高溫平衡左移不利于提高H2的轉(zhuǎn)化率。高壓和減小NH3的濃度均使平衡右移。使用過(guò)量的N2有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率。 【答案】　C 3．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 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：28920007】 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，而壓強(qiáng)無(wú)此作用 【解析】　對(duì)化學(xué)反應(yīng)N2＋3H22NH3，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)。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 4．已知焦炭、一氧化碳和烴類(lèi)化合物都能與水反應(yīng)產(chǎn)生合成尿素[CO(NH2)2]的原料——?dú)錃夂投趸迹瑥某浞掷迷系慕嵌瓤紤]，用下列物質(zhì)生產(chǎn)H2和CO2最為合適的是(　　) A．C B．CO C．天然氣 D．石腦油(C5H12、C6H14) 【解析】　生產(chǎn)出的H2用于合成NH3，N2＋3H22NH3。再由NH3與CO2合成尿素。由此，可找出H2與CO2的關(guān)系式：3H2～2NH3～CO2。 分別寫(xiě)出備選項(xiàng)中各物質(zhì)與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式： A項(xiàng)C＋H2OH2＋CO，CO＋H2O===H2＋CO2總反應(yīng)方程式為：C＋2H2O===2H2＋CO2；B項(xiàng)CO＋H2OH2＋CO2；C項(xiàng)CH4＋2H2O4H2＋CO2；D項(xiàng)C5H12＋10H2O16H2＋5CO2，C6H14＋12H2O19H2＋6CO2。產(chǎn)物中，n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1的最合適。 【答案】　D 5．反應(yīng)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)在一可變?nèi)莘e的密閉容器中進(jìn)行，下列條件的改變對(duì)其反應(yīng)速率幾乎無(wú)影響的是(　　) ①增加C的量?、趯⑷萜鞯捏w積縮小一半?、郾３煮w積不變，充入N2使體系壓強(qiáng)增大?、鼙３謮簭?qiáng)不變，充入N2使容器體積變大 A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ 【解析】　增加固體的量、恒容時(shí)充入與反應(yīng)無(wú)關(guān)的氣體，都對(duì)反應(yīng)速率無(wú)影響。④相當(dāng)于減壓，反應(yīng)速率減小。 【答案】　C 6．合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，氨氣的百分含量與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。根據(jù)此圖，判斷合成氨工業(yè)最有前途的研究發(fā)展方向是(　　) A．研究耐高壓的合成塔 B．研制低溫催化劑 C．提高分離技術(shù) D．探索不用氫氮合成氨的新途徑 【答案】　B 7．用焦炭、空氣、水為原料制備N(xiāo)H3，則參加反應(yīng)的焦炭與產(chǎn)品氨氣之間的物質(zhì)的量之比為(　　) A．3∶4 B．3∶2 C．2∶3 D．1∶2 【解析】　由反應(yīng)：C＋H2O(g)CO＋H2，CO＋H2O(g)CO2＋H2，N2＋3H22NH3可得：C～2H2～NH3。 【答案】　A 8．合成氨工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。對(duì)于密閉容器中的反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，673K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是(　　) A．點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的小 B．點(diǎn)c處反應(yīng)達(dá)到平衡 C．點(diǎn)d(t1時(shí)刻)和點(diǎn)e(t2時(shí)刻)處n(N2)不一樣 D．其他條件不變，773 K下反應(yīng)至t1時(shí)刻，n(H2)比上圖中d點(diǎn)的值大 【解析】　選項(xiàng)A，在ab段可逆反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物濃度在減小，正反應(yīng)速率在降低，故A項(xiàng)不正確；選項(xiàng)B中，c點(diǎn)時(shí)NH3、H2的物質(zhì)的量仍在變化，故未達(dá)到化學(xué)平衡；選項(xiàng)C中，t1時(shí)刻和t2時(shí)刻都處于同樣的化學(xué)平衡狀態(tài)，則n(N2)不變，故C不正確；選項(xiàng)D中，由于正反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，升高溫度化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故平衡時(shí)n(H2)比題圖中d點(diǎn)的值大，故D項(xiàng)正確。 【答案】　D 9．將V1L的H2和V2L的N2在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡后，混合氣體總體積為V3L(氣體體積均在相同條件下測(cè)定)，則生成NH3的體積是(　　) A．(V1＋V2＋V3)L B．(V1＋V2－V3)L C．(V1＋V2－2V3)L D．[V3－(V1＋V2)]L 【解析】　根據(jù)差量法計(jì)算。 由N2＋3H22NH3，可知NH3～ΔV(減少)， 因ΔV＝(V1＋V2－V3)L，故V(NH3)＝ΔV＝(V1＋V2－V3)L。 【答案】　B [能力提升] 10．如圖所示“合成氨”的演示實(shí)驗(yàn)(夾持儀器均已省略)。在Y形管的一側(cè)用Zn粒和稀H2SO4反應(yīng)制取H2，另一側(cè)用NaNO2固體和NH4Cl飽和溶液反應(yīng)制取N2，N2和H2混合后通過(guò)還原鐵粉來(lái)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(shuō)明產(chǎn)生了氨氣。 某課外活動(dòng)小組通過(guò)查閱資料和多次實(shí)驗(yàn)，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(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng)： 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(shí)驗(yàn)條件下合成氨，使酚酞試液變紅所需要的時(shí)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(shí)間/min 8～9 7～8 6～7 3～4 9～10 據(jù)此回答下列問(wèn)題： (1)Y形管左側(cè)管中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式　___________________________ _______________________________________________________________。 (2)鐵粉撒在石棉絨上的目的是　____________________________________ _______________________________________________________________。 (3)課外活動(dòng)小組的同學(xué)們認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)中即使酚酞變紅也不能說(shuō)明N2和H2反應(yīng)合成了NH3，得出此結(jié)論的理由是　。 請(qǐng)你另設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的理由　___________________________ _____________________________________________。 欲解決這一問(wèn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為盡快觀察到酚酞試液變紅的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，應(yīng)該控制N2和H2的體積比為_(kāi)______比較適宜；但該裝置還難以實(shí)現(xiàn)此目的，原因是_____ ________________________________________________________________。 (5)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shuō)明右側(cè)管反應(yīng)制取N2，左側(cè)管反應(yīng)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(yīng)速率。(3)因?yàn)镹H4NO2分解可產(chǎn)生NH3，所以不能證明N2和H2反應(yīng)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(gè)除NH3的裝置，排除了NH3的干擾。(4)由表可知V(N2)∶V(H2)＝1∶3時(shí)，反應(yīng)最快，在Y形管中，無(wú)法控制氣體的體積。(5)氣體成分中有生成的NH3，同時(shí)還有未反應(yīng)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(yīng)進(jìn)行得更快 (3)從分步反應(yīng)可知，產(chǎn)生N2的過(guò)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(shuō)明理由成立；否則，說(shuō)明理由不成立?、邸　B (4)1∶3　無(wú)法控制通入B中N2和H2的體積比 (5)NH3、N2、H2 11．合成氨工業(yè)的主要反應(yīng)為：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，回答下列問(wèn)題。 (1)原料N2不能用空氣代替，而必須用純N2，這是因?yàn)開(kāi)_________________。 H2來(lái)自水和焦炭，有關(guān)的化學(xué)方程式為：______________________________ _______________________________________________________________。 原料氣體必須經(jīng)過(guò)凈化的原因是___________________________________。 (2)在合成塔中合成氨要在高溫、高壓和有催化劑的條件下進(jìn)行，試分析各反應(yīng)條件的作用：溫度(500 ℃)__________________________________________ ________________________________________________________________。 壓強(qiáng)(5107Pa)___________________________________________________。 催化劑(鐵觸媒)__________________________________________________。 (3)從合成塔里出來(lái)的混合氣體中含15%的氨。 ①若N2和H2的轉(zhuǎn)化率相等，則轉(zhuǎn)化率為_(kāi)_______。 ②工業(yè)上采用________法將氨分離出來(lái)。 【解析】　(3)利用“三段式”進(jìn)行分析。由于N2和H2轉(zhuǎn)化率相等，則二者起始投料物質(zhì)的量比為1∶3。 　　 　N2(g)＋3H2(g)2NH3 起始(mol) 1 3 0 轉(zhuǎn)化(mol) x 3x 2x 平衡(mol) 1－x 3－3x 2x 則100%＝15%，解得x＝0.261， 轉(zhuǎn)化率為100%＝26.1%。 【答案】　(1)空氣中的O2與H2混合加熱會(huì)發(fā)生爆炸　C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)，CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　除去原料氣中的雜質(zhì)，防止催化劑中毒 (2)加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時(shí)間且催化劑在此溫度下活性最大　既加快反應(yīng)速率，也能促使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高NH3在平衡混合物中的百分含量　加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時(shí)間 (3)①26.1%?、诶淠? 12．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(chēng)為哈伯法，是德國(guó)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(xué)獎(jiǎng)。試回答下列問(wèn)題： 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：28920008】 (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(qiáng)(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(shí)從體系中分離出來(lái)，剩余N2和H2循環(huán)到合成塔中，并補(bǔ)充N(xiāo)2和H2 (2)下圖是實(shí)驗(yàn)室模擬工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)易裝置，簡(jiǎn)述檢驗(yàn)有氨氣生成的方法：____________________________________________________________________。 (3)在298 K時(shí)，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)1998年希臘亞里斯多德大學(xué)的Marmellos和Stoukides采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H＋)，實(shí)現(xiàn)了高溫、常壓下高轉(zhuǎn)化率的電化學(xué)合成氨。其實(shí)驗(yàn)裝置如下圖，則其陰極的電極反應(yīng)式為_(kāi)________________________________ _________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 【解析】　(1)勒夏特列原理只解釋平衡移動(dòng)問(wèn)題。(2)根據(jù)氨的性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。(3)合成氨的反應(yīng)是可逆反應(yīng)。(4)根據(jù)合成氨反應(yīng)中的氧化劑、電解池中陰極反應(yīng)特點(diǎn)及電解質(zhì)成分進(jìn)行分析。 【答案】　(1)AD (2)用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙放在管口處，若試紙變藍(lán)則說(shuō)明有氨氣生成 (3)該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，10 mol N2與30 mol H2不可能完全反應(yīng)，所以放出的熱量小于1092.4 kJ＝924 kJ (4)N2＋6H＋＋6e－===2NH3 13．Ⅰ.合成氨工業(yè)對(duì)化學(xué)的國(guó)防工業(yè)具有重要意義。寫(xiě)出氨的兩種重要用途__________________________________________________________________。 Ⅱ.實(shí)驗(yàn)室制備氨氣，下列方法中適宜選用的是________________。 ①固態(tài)氯化銨加熱分解　②固體氫氧化鈉中滴加濃氨水?、勐然@溶液與氫氧化鈉溶液共熱　④固態(tài)氯化銨與氫氧化鈣混合加熱 Ⅲ.為了在實(shí)驗(yàn)室利用工業(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] ①檢查實(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)頸漏斗注入一定量稀硫酸。打開(kāi)彈簧夾c、d、e，則A中有氫氣發(fā)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________________________________ ________________________________________________________________。 【答案】　Ⅰ.制化肥、制硝酸　Ⅱ.②④ Ⅲ.(1)排除空氣，保證安全 (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，加快氨合成的反應(yīng)速率　N2＋3H22NH3