2019-2020年高中化学第1单元走进化学工业课题2人工固氮技术-合成氨作业新人教版.doc

2019-2020年高中化学第1单元走进化学工业课题2人工固氮技术-合成氨作业新人教版一、氮的存在和氮的固定1.下列过程属于氮的固定的是() A.闪电下N2与O2反应生成NOB.NO2溶于水生成HNO3C.工业上用NH3制造尿素CO(NH2)2 D.NH3与Cl2反应生成N2和HCl解析:A项,N2转化为NO,属于氮的固定;NO2HNO3,NH3CO(NH2)2均为由含氮化合物转化为含氮化合物的过程,不是氮的固定;NH3N2,含氮化合物转化为N2,不属于氮的固定。答案:A2.农作物生长发育需要大量的氮养分,除了可用人工固氮方法(合成氨)获得铵态氮外,自然界雷电现象也是一种固氮途径,经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式),写出氮气转化为硝酸的化学方程式,。解析:电闪雷鸣的雨天,会产生放电现象,使空气中的氮气和氧气反应生成了一氧化氮,一氧化氮又被氧气氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中与水反应生成硝酸。答案:N2+O22NO2NO+O22NO23NO2+H2O2HNO3+NO二、合成氨的反应原理3.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。现向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2,在一定条件下使该反应发生,有关说法正确的是()N2+3H22NH3A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零解析:合成氨反应为可逆反应,故氮气、氨气不能完全转化,化学平衡是动态平衡,达到平衡时正、逆反应速率相等,但是不为零。答案:C4.合成氨时采用500 左右的温度,主要因为该温度时()A.合成氨的化学反应速率最大B.氮气的平衡转化率最高C.铁触媒的活性最大D.氨在平衡混合物中的体积分数最大解析:温度越高,化学反应速率越大,A项错;合成NH3的反应在低温时N2的转化率越大,B项错;工业合成NH3采用500 左右的温度主要是此时催化剂活性最大,C项对;500 时NH3在平衡混合物中的体积分数不一定最大,D项错。答案:C5.在合成氨工业中,采用下列哪些措施可以提高原料气的转化率()使用催化剂采用400500 温度采用11073107 Pa的压强不断将氨分离出来A.B.C.D.解析:根据合成氨反应的特点,要提高原料的转化率,应尽量使化学平衡向生成NH3的方向移动,应为高压、降低温度并减小NH3的浓度,故合理。答案:C6.(双选)德国科学家格哈德埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖,以奖励他在表面化学领域作出的贡献。合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高,就是埃尔特的研究成果。下列关于合成氨反应的叙述中,正确的是()A.铁作催化剂可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B.将氨从混合气中分离,有利于化学平衡向合成氨的方向移动C.升高温度可以加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动D.增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动解析:催化剂可以改变化学反应速率,但不能使平衡移动,只能缩短反应达到平衡的时间,A项错;将氨从混合气中及时地分离出来,可加快反应速率,且有利于化学平衡正向移动,B项正确;升高温度能加快反应速率,但合成氨反应是一个放热反应,因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动,C项错;合成氨的反应是一个气体体积减小的反应,因此增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向着合成氨的方向移动,D项正确。答案:BD7.合成氨时既要使合成氨的产率增大,又要使反应速率加快,可采取的办法是()减压加压升温降温及时从平衡混合气中分离出NH3补充N2或H2加催化剂减小N2或H2的量 A.B.C.D.解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0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(建议用时:30分钟)1.将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮,下图中能实现人工固氮的是()解析:A错,因为闪电作用下的固氮是自然固氮。B错,因为与固氮风马牛不相及。C错,因为它属于自然固氮。D对,因为N2+3H22NH3只能靠人工完成。答案:D2.可逆反应X(g)+2Y(g)2Z(g)(正反应吸热)。为了有利于Z的生成,应采用的反应条件是() A.高温高压B.高温低压C.低温高压D.低温低压解析:该反应的特点是:正反应是一个气体体积缩小的吸热反应。根据化学反应速率要快的原理:需要升高温度、增大压强、使用正催化剂;根据平衡移动原理,也是升高温度、增大压强,才有利于Z的生成。答案:A3.(双选)下列关于氮气、氢气合成氨的说法中,正确的是()A.将氮气、氢气合成氨,必须施加高温、高压、催化剂等反应条件B.在氮气、氢气合成氨的化学反应中,催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一定的制约作用C.现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮D.现代工业上实施的合成氨属于人工固氮解析:生物固氮,是自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根瘤菌)以自身的固氮酶为催化剂,在常温、常压下,通过生物化学过程,将空气中的氮气转化成含氮化合物的固氮过程。仿生固氮是人为地利用具有固氮酶作用的人造催化剂在常温、常压下的固氮。显然,现代工业上实施的合成氨不属于仿生固氮。答案:BD4.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比是()A.B.C.D.解析:方法一:通过假设反应前N2、H2的物质的量,结合反应过程中转化量与化学方程式中化学计量数的关系,列方程求算。设起始时H2为a mol,N2为b mol,平衡时NH3的物质的量为x mol,则3H2+N22NH3起始时(mol):ab0转化量(mol):x平衡后(mol):x依题意可得方程式:100%=25%化简得:。方法二:设反应后平衡时混合气体的体积为100 L,则氨气为25 L,根据该反应的特点知反应前混合气体体积为125 L,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比是。答案:A5.氮气与其他单质化合,一般需高温,有时还需高压等条件,但金属锂在常温、常压下就能与氮气化合生成氮化锂。这是因为()此反应可能是吸热反应此反应可能是放热反应此反应可能是氮分子不必先分解为原子此反应发生前可能氮分子已先分解成原子A.B.C.D.解析:氮分子是由两个氮原子通过三键结合起来的,结构很稳定,如果发生反应时分子分解成原子会消耗很多能量,此时必须在高温下进行。如果锂和氮气根据以上原理反应,同样必须在高温下进行,而题中明确指出金属锂在常温、常压下就能与氮气反应。因此锂和氮气反应时可能没有破坏氮分子(变成原子),且反应放热,可提供反应所需能量。答案:C6.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g)2M(g)H0。下列有关该工业生产的说法正确的是()A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B,以提高A和B的转化率C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量解析:高压有利于该反应的进行,但增大压强对设备的要求大,成本高,若反应在常压条件下转化率已很高就没必要采用高压,A项错误;增加B的量,可提高A的转化率,但B的转化率不会增大,B项错误;升高温度,平衡逆向移动,反应物的转化率降低,C项错误;催化剂能提高化学反应速率,D项正确。答案:D7.有关合成氨工业说法中正确的是()A.从合成塔出来的混合气体,其中NH3只占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低B.由于氨易液化,N2、H2是循环使用的,总体来说氨的产率较高C.合成氨反应温度控制在400500 ,目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨采用的压强是1030 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大解析:由于采用循环操作,故氨的产率较高;控制温度在400500 是综合考虑反应速率、平衡移动和催化剂的活性温度;采用压强1030 MPa目的是获得较快的速率、较高的产率以及考虑动力、设备等因素。答案:B8.合成氨的温度和压强通常控制在约500 以及11073107 Pa的范围,且进入合成塔的N2和H2的体积比为13。经科学实验测定,在相应条件下N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:压强1107 Pa3107 Pa氨的体积分数19.1%42.2%而实际从合成塔出来的混合气体中含氨约为15%,这表明()A.表中所测数据有明显的误差B.生产条件控制不当C.氨的分解速率大于预测值D.合成塔中的反应并未达到平衡解析:含氨约为15%小于19.1%,因此N2、H2的转化率仍很低,反应正在向着生成氨的方向进行,表明合成塔中的反应并未达到平衡。答案:D9.在一定条件下,将10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是()A.15%B.30%C.35%D.75%解析:对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3.0 mol。事实上,N2完全转化是不可能的,因而消耗H2的物质的量小于3.0 mol,故H2的最大转化率为:嶙畲(H2)100%=30%故A项正确。答案:A10.一密封体系中发生下列反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)Hv(正),平衡向逆反应方向移动,对照反应式可看出条件变化应是“升高温度”;t3时刻,v(正)、v(逆)都同等程度加快,应是“加催化剂”;t4时刻,v(正)、v(逆)都减慢,且v(正)v(逆),平衡逆向移动,所以是由“减小压强”引起的。由于t1t2时间段和t4t5时间段,平衡都向逆反应方向移动,氨百分含量都减小,所以应是t0t1时间段,氨百分含量最高。答案:(1)t0t1t2t4t5t6(2)升高温度加催化剂减小压强(3)A11.已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0。回答下列问题:(1)从影响速率和平衡的因素分析,要有利于NH3和SO3的生成,理论上应采取的措施是。实际生产中采取的措施分别是。(2)在实际生产的合成氨过程中,要分离出氨气,目的是;而合成SO3过程中,不需要分离出SO3,原因是。解析:工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的,原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行程度已经很大,采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动,但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求,综合生产成本和经济效益两方面因素,实际生产时,在常压下进行最合理。答案:(1)高温、高压、催化剂合成氨:适当温度、高压、催化剂合成SO3:适当温度、常压、催化剂(2)减少生成物浓度,使平衡向生成NH3方向移动该反应向生成SO3的方向进行程度大,达到平衡后SO2含量较少,故不需要分离SO312.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压强为1.0105 Pa、反应时间3 h):T/K303313323353NH3生成量/(10-6 mol)4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下:N2(g)+3H2O(l)2NH3(g)+O2(g)H=+765.2 kJmol-1回答下列问题:(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:。(2)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2 L的密闭容器中充入0.6 mol N2(g)和1.6 mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算:该条件下N2的平衡转化率;该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数。解析:(1)该反应正反应是吸热反应,升高温度,使化学平衡向正反应方向移动,从而增大NH3的生成量,升高温度也能提高反应速率;增大反应物N2的浓度,能加快反应速率,并使化学平衡向右移动;不断移出生成物,使平衡向右移动,增大NH3的生成量。(2)由三段式法计算可知,起始时:c(N2)=0.3 molL-1,平衡时:c(N2)=0.1 molL-1;c(H2)=0.2 molL-1;c(NH3)=0.4 molL-1。所以N2的平衡转化率=(0.6-0.2)mol0.6 mol100%66.7%;反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数K=0.005。答案:(1)升高温度,增大反应物N2的浓度,不断移出生成物(2)该条件下N2的平衡转化率:66.7%;该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为0.005。