教學(xué) 設(shè)計：人工固氮技術(shù)合成氨

高中化學(xué)選修2化學(xué)與技術(shù)人工固氮技術(shù)-------合成氨教學(xué)設(shè)計一、選擇題1．合成氨所需的原料是()①水②空氣③焦炭④鐵觸媒A．①② B．②③C．①②③ D．全部【解析】鐵觸媒是合成氨的催化劑，不屬于原料?！敬鸢浮緾2．合成氨工業(yè)中控制的反應(yīng)條件應(yīng)()A．溫度越高越好 B．壓強(qiáng)越大越好C．混合氣體中氫氣含量越高越好 D．所選的催化劑活性越大越好【解析】工業(yè)合成氨的熱化學(xué)方程式：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－kJ·mol－1，似乎壓強(qiáng)越大就越有利于平衡向合成氨的方法移動，溫度越高達(dá)到平衡的時間就越短，易錯選A或B。實際上在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，壓強(qiáng)不能太大，否則能耗太高，并且對設(shè)備的要求高。而根據(jù)化學(xué)平衡移動原理，此反應(yīng)溫度越低越有利于平衡向正方向移動，但溫度太低，則催化劑的催化活性不能很好地發(fā)揮，反應(yīng)速率太慢；為解決上述矛盾，一般選擇使催化劑活性最大時的溫度?！敬鸢浮緿3．為了進(jìn)一步提高合成氨的生產(chǎn)效率，科研中具有開發(fā)價值的是()A．研制高溫下活性較大的催化劑B．尋求NH3的新來源C．研制低溫下活性較大的催化劑D．研制耐高溫高壓的新型材料建造合成塔【解析】合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率?！敬鸢浮緾4．已知焦炭、一氧化碳和烴類化合物都能與水反應(yīng)產(chǎn)生合成尿素的原料——氫氣和二氧化碳，從充分利用原料的角度考慮，用下列物質(zhì)生產(chǎn)H2和CO2最為合適的是()A．C B．COC．天然氣 D．石腦油(C5H12、C6H14)【解析】生產(chǎn)出的H2用于合成NH3：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(高溫、高壓),\s\do10(催化劑))2NH3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。分別寫出備選項中各物質(zhì)與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式：A項C＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))H2＋CO，CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))H2＋CO2總反應(yīng)方程式為：C＋2H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))2H2＋CO2；B項CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))H2＋CO2；C項CH4＋2H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))4H2＋CO2；D項C5H12＋10H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))16H2＋5CO2，C6H14＋12H2Oeq\o(=,\s\up8(高溫))19H2＋6CO2。產(chǎn)物中，n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1的最合適?！敬鸢浮緿5．下列有關(guān)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(chǎn)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(chǎn)中循環(huán)使用，所以總體來說，氨的產(chǎn)率很高C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500℃D．我國合成氨廠采用的壓強(qiáng)是10～30MPa，因為該壓強(qiáng)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(chǎn)NH3的效率還是很高的，因此A項不正確。控制反應(yīng)溫度為500℃，一是為了使反應(yīng)速率不至于很低，二是為了使催化劑活性最大，因此，C選項不正確。增大壓強(qiáng)有利于NH3的合成，但壓強(qiáng)越大，需要的動力越大，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，我國的合成氨廠一般采用1×107～3×107【答案】B6．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，下列條件的改變對其反應(yīng)速率幾乎無影響的是()①增加C的量②將容器的體積縮小一半③保持體積不變，充入N2使體系壓強(qiáng)增大④保持壓強(qiáng)不變，充入N2使容器體積變大A．①④ B．②③C．①③ D．②④【解析】增加固體的量，恒容時充入與反應(yīng)無關(guān)的氣體，都對反應(yīng)速率無影響。④相當(dāng)于減壓，反應(yīng)速率減小?！敬鸢浮緾7．對于可逆反應(yīng)N2(氣)＋3H2(氣)2NH3(氣)ΔH<0，下列說法正確的是()A．達(dá)到平衡時反應(yīng)物和生成物濃度一定相等B．達(dá)到平衡后加入氨氣，重新達(dá)到平衡時，氨氣的濃度比原平衡時大C．達(dá)到平衡時，升高溫度加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)的方向移動D．加入催化劑可以縮短到達(dá)平衡的時間，這是因為加快了正反應(yīng)的速率，而減慢了逆反應(yīng)的速率【解析】往往錯選C、D，原因：對升高溫度可以使平衡向吸熱反應(yīng)方向移動的原因認(rèn)識不清；對使用催化劑可縮短到達(dá)平衡所用時間的原因認(rèn)識不清；正確選項為B?！敬鸢浮緽8．合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，673K、30MPa下n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關(guān)系如下圖所示。下列敘述正確的是()A．點a的正反應(yīng)速率比點b的小B．點c處反應(yīng)達(dá)到平衡C．點d(t1時刻)和點e(t2時刻)處n(N2)不一樣D．其他條件不變，773K下反應(yīng)至t1時刻，n(H2)比上圖中d點的值大【解析】選項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，故選項A不正確；選項B中，c點時NH3、H2的物質(zhì)的量仍在變化，故未達(dá)到化學(xué)平衡；選項C中，t1時刻和t2時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D中，由于正反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，升高溫度化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動，故平衡時n(H2)比題圖中d點的值要大，故選項D正確?！敬鸢浮緿9．實驗室合成氨裝置如下圖所示，則以下說法中錯誤的是()A．裝置甲的作用之一是干燥B．裝置甲的作用是化合C．乙處導(dǎo)出的氣體是N2、H2、NH3D．檢驗產(chǎn)物可用濕潤的紅色石蕊試紙或濃鹽酸等【解析】裝置甲的作用有三點：①干燥氣體；②觀察氣體逸出速率便于控制比例；③使氣體混合均勻。【答案】B10．在一定條件下，進(jìn)入氨合成塔的混合氣體中氮氣的體積占22%，氫氣的體積占78%，經(jīng)合成反應(yīng)達(dá)到平衡后，在相同溫度和壓強(qiáng)下，氣體體積縮小至原體積的95%，氮氣的轉(zhuǎn)化率接近于()A．% B．%C．% D．%【解析】設(shè)混合氣體為100L，反應(yīng)掉N2的體積為x。N2＋3H22NH3開始(L)22780平衡(L)22－x78－3x2x由題意：eq\f(22L－x＋78L－3x＋2x,22L＋78L)＝95%解得x＝2.5Lα(N2)＝eq\fL,22L)×100%＝%?！敬鸢浮緼二、非選擇題11.農(nóng)作物生長發(fā)育需要大量的氮養(yǎng)分，除了可用人工固氮方法(合成氨)獲得氨態(tài)氮外，自然界雷電現(xiàn)象也是一種固氮途徑，經(jīng)由雷電固定的氮是硝態(tài)氮(硝酸或硝酸鹽形式)，寫出氮氣轉(zhuǎn)化為硝酸的化學(xué)方程式__________________________，______________________，______________________________________?！窘馕觥侩婇W雷鳴的雨天，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，使空氣中的氮氣和氧氣反應(yīng)生成了一氧化氮，一氧化氮又被氧氣氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中與水反應(yīng)生成硝酸?！敬鸢浮縉2＋O2eq\o(=,\s\up8(放電))2NO2NO＋O2=2NO23NO2＋H2O=2HNO3＋NO12．已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。請回答下列問題：(1)從影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理論上應(yīng)采取的措施是______________________________。實際生產(chǎn)中采取的措施是_______________________________________。(2)在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，要分離出氨，目的是______________；而合成SO3的過程中，則不需要分離出SO3，原因是______________________________________?！窘馕觥抗I(yè)上合成SO3與合成氨的最大不同之處是該反應(yīng)是在常壓下進(jìn)行的，原因是在常壓下該反應(yīng)向生成SO3的方向進(jìn)行的程度已經(jīng)很大，采用高壓雖能使平衡向生成SO3方向移動，但產(chǎn)生高壓既需要動力又對反應(yīng)容器耐壓性有較高要求，綜合生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益兩方面因素，實際生產(chǎn)時，在常壓下進(jìn)行最合理?！敬鸢浮?1)適當(dāng)溫度、高壓、催化劑合成氨：適當(dāng)溫度、高壓、催化劑；合成SO3：適當(dāng)溫度、常壓、催化劑(2)減小生成物的濃度，使平衡向生成NH3的方向移動該反應(yīng)向生成SO3的方向進(jìn)行的程度較大，達(dá)到平衡后SO2剩余量較少，故不需要分離SO313．某研究性學(xué)習(xí)小組利用以下材料來探究NH3的還原性，部分實驗裝置如下圖。材料一NH3是強(qiáng)還原劑，能將某些金屬氧化物還原為金屬單質(zhì)或低價態(tài)的氧化物。如：2NH3＋3CuOeq\o(=,\s\up8(△))3Cu＋N2＋3H2O；材料二Cu＋在酸性溶液中不穩(wěn)定，可發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)生成Cu2＋和Cu，Cu2O＋2H＋=Cu2＋＋Cu＋H2O。請回答下列問題：(1)在實驗室里，該學(xué)習(xí)小組設(shè)計下列制取純凈干燥氨氣的方案，簡易、可行的最佳方案是________。A．加熱氯化銨固體，再通過堿石灰B．在N2和H2的混合氣體中加入鐵觸媒，并加熱至500℃C．加熱濃氨水，再通過堿石灰D．在生石灰中加入濃氨水，再通過堿石灰(2)為證明NH3還原CuO的反應(yīng)中有水生成，B中應(yīng)放入的試劑是________。(3)當(dāng)觀察到____________________(填現(xiàn)象)，即表明A中的反應(yīng)已經(jīng)完成。(4)該小組欲用體積比為1∶4的稀硫酸作試劑，檢驗反應(yīng)是否有Cu2O固體生成。現(xiàn)用98%的濃硫酸配制1∶4的稀硫酸，所需的玻璃儀器除了膠頭滴管外還有______________________________________?？勺C明還原產(chǎn)物中含有Cu2O的操作及現(xiàn)象是__________________________________。(5)請寫出A中生成Cu2O的化學(xué)方程式______________________________________。(6)若用定量的方法測定該反應(yīng)是否生成Cu2O，最簡便且準(zhǔn)確的方法是____________。【解析】若加熱氯化銨生成的氯化氫氣體與氨氣繼續(xù)反應(yīng)生成氯化銨固體，很難使氣體放出，而利用氮氣和氫氣反應(yīng)條件太復(fù)雜，C、D都可以快速制取氨氣，而C用料更簡單。反應(yīng)為通入氨氣還原氧化銅，根據(jù)固體的顏色變化可以判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度。根據(jù)Cu＋在酸性溶液中的不穩(wěn)定性來判斷。【答案】(1)C(2)無水硫酸銅(3)A中固體由黑色完全變?yōu)榧t色(4)燒杯、量筒、玻璃棒加入硫酸后溶液呈藍(lán)色(其他合理答案也可)(5)2NH3＋6CuOeq\o(=,\s\up8(△))3Cu2O＋N2＋3H2O(6)稱量反應(yīng)前后裝置A中固體的質(zhì)量14．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(jīng)加熱后反應(yīng)制取氮氣。(1)從上圖中選擇制取氣體的合適裝置：氮氣________、氫氣________。(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(jīng)冷卻的氣體連續(xù)通入乙裝置的水中吸收氨，________(“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(nèi)，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(xué)方程式：______________________________________。(6)反應(yīng)結(jié)束后錐形瓶內(nèi)的溶液中含有H＋、OH－、________、________?！窘馕觥勘绢}是考查氨的合成和氨催化氧化的實驗題。制取氮氣用氯化銨溶液和亞硝酸鈉溶液加熱反應(yīng)生成，故選a裝置，制取氫氣用鋅與稀硫酸反應(yīng)，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，不會倒吸。氨