课题2 人工固氮技术——合成氨
(时间:30分钟)
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)+3H2(g)
-1
( )。
2NH3(g) ΔH=
-92.4 kJ·mol,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1×10~3×10 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
( )。
7
7
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 C.②⑥ D.②③⑥⑦
高温、高压
解析 合成氨反应N2(g)+3H2(g)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)+H2O(g)
CO2(g)
B.①②⑤⑥
+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 C.①⑤
( )。 B.④⑤ 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+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)+3H2(g)
2NH3(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)+3H2(g)
2NH3(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 起始时 H2 -1N2 -1NH3 0 5 mol·L 3 mol·L
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)+N2(g)
-1
-1
2NH3(g)和表中数据,计算得v(H2)=1.5
-1
mol·L·s,达到平衡时各物质的浓度分别为n(H2)=2 mol·L,n(N2)=2 mol·L
-1
,n(NH3)=2 mol·L,即可求出平衡常数为0.25。
-1
(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·s 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)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol
-1
-1
-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
高中化学 1.2人工固氮技术 合成氨规范训练 新人教版选修2
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