合成氨工業(yè)相關(guān)的情境試題

【典型例題 1】：(2014·北京理綜，26)NH3經(jīng)一系列反應(yīng)可以得到 HNO3和NH4NO3，如下圖所示。(1)Ⅰ中，NH3和O2在催化劑作用下反應(yīng)，其化學(xué)方程式是____________________。(2)Ⅱ中，2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)。在其他條件相同時(shí)，分別測(cè)得NO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)(p1、p2)下隨溫度變化的曲線(如圖)。①比較p1、p2的大小關(guān)系： ________。②隨溫度升高，該反應(yīng)平衡常數(shù)變化的趨勢(shì)是 ___________________________________。Ⅲ中，降低溫度，將NO2(g)轉(zhuǎn)化為N2O4(l)，再制備濃硝酸。①已知：2NO2(g)N2O4(g)H12NO2(g)N2O4(l)H2下列能量變化示意圖中，正確的是(選填字母)______。②N2O4與O2、H2O化合的化學(xué)方程式是_________________________________。(4)Ⅳ中，電解NO制備NH4NO3，其工作原理如圖所示，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，需補(bǔ)充物質(zhì) A，A是________，說明理由：____________________________________?！敬鸢浮浚捍呋瘎?1)4NH3＋5O2=====4NO＋6H2O△(2)①p1<p2 ②減小(3)①A②2N2O4＋O2＋2H2O===4HNO3(4)NH3通電HNO3多根據(jù)反應(yīng)：8NO＋7H2O=====3NH4NO3＋2HNO3，電解產(chǎn)生的【解析】：(1)反應(yīng)Ⅰ中，NH3與O2在催化劑作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成NO和H2O，催化劑根據(jù)質(zhì)量守恒及得失電子守恒，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式： 4NH3＋5O2=====4NO＋6H2O。△(2)反應(yīng)2NO(g)＋O2 2(g)的正反應(yīng)為氣體總分子數(shù)減小的反應(yīng)，在溫度相同時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)， NO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，結(jié)合 NO的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的變化曲線可知， p1<p2。由圖可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度升高， NO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，說明平衡逆向移動(dòng)，則該反應(yīng)的正向

H<0，所以隨溫度升高，該反應(yīng)平衡常數(shù)減小。①等質(zhì)量的N2O4(g)具有的能量高于N2O4(l)，因此等量的NO2(g)生成N2O4(l)放出的熱量多，只有A項(xiàng)符合題意。②N2O4與O2、H2O發(fā)生化合反應(yīng)生成HNO3，化學(xué)方程式為2N2O4＋O2＋2H2O===4HNO3。(4)由電解NO制備NH4NO3的工作原理圖可知，NO在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO3－，電極反－－＋。NO在陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成＋應(yīng)式為5NO＋10H2O－15e===5NO3＋20HNH4，電極反應(yīng)式為3NO＋18H＋＋－＋通電15e===3NH4＋3H2O，電池總反應(yīng)式為8NO＋7H2O=====3NH4NO3＋2HNO3，電解產(chǎn)生的HNO3多，故應(yīng)補(bǔ)充NH3，使其轉(zhuǎn)化為NH4NO3?！镜湫屠}2】：(2014·天津理綜，10)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)原理為：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)H＝－92.4kJmol·－1一種工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)易流程圖如下：(1)天然氣中的H2S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH4HS。一定條件下向NH4HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________________________________________________________________。步驟Ⅱ中制氫氣原理如下：①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)H＝＋206.4kJmol·－1②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)H＝－41.2kJmol·－1對(duì)于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H2百分含量，又能加快反應(yīng)速率的措施是________。a．升高溫度b．增大水蒸氣濃度c．加入催化劑d．降低壓強(qiáng)利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H2產(chǎn)量。若1molCO和H2的混合氣體(CO的體積分?jǐn)?shù)為20%)與H2O反應(yīng)，得到1.18molCO、CO2和H2的混合氣體，則CO轉(zhuǎn)化率為________。(3)圖1表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時(shí)NH3體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。根據(jù)圖中a點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算N2的平衡體積分?jǐn)?shù)：________。(4)依據(jù)溫度對(duì)合成氨反應(yīng)的影響，在圖2坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH3物質(zhì)的量變化的曲線示意圖。(5)上述流程圖中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步驟是(填序號(hào))______。簡(jiǎn)述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法：________________?！敬鸢浮浚阂欢l件2NH3·H2O＋2S↓(1)2NH4HS＋O2=====(2)a90%(3)14.5%(4)Ⅳ對(duì)原料氣加壓，分離液氨，使未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)使用【解析】：(1)依據(jù)題意，NH4HS被空氣中氧氣氧化，將－2價(jià)S元素氧化成S，同時(shí)生成一水合氨，其反應(yīng)方程式為一定條件2NH4HS＋O2=====2NH3·H2O＋2S↓。(2)結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)，正反應(yīng)方向是氣體物質(zhì)的量增大的吸熱反應(yīng)，若要加快反應(yīng)速率又增加H2的百分含量，可升高溫度，a項(xiàng)正確；增加水蒸氣濃度，能加快反應(yīng)速率，使平衡正向移動(dòng)，但H2增加的量沒有水蒸氣增加的量多，H2的百分含量減少，b項(xiàng)錯(cuò)誤；加入催化劑平衡不移動(dòng)，H2的百分含量不變，c項(xiàng)錯(cuò)誤；降低壓強(qiáng)反應(yīng)速率減慢，d項(xiàng)錯(cuò)誤。根據(jù)“三段式”法有：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)開始(mol)0.200.8轉(zhuǎn)化(mol)xxx一定時(shí)間(mol)0.2－xx0.8＋x則0.2－x＋x＋0.8＋x＝1.18，解得x＝0.18，故CO轉(zhuǎn)化率為0.18mol×100%＝90%。0.2mol根據(jù)“三段式”法有N2＋3H22NH3開始(mol)130轉(zhuǎn)化(mol)x3x2x平衡(mol)1－x3－3x2x1－422x×100%＝42%，解之，x＝71×100%＝14.5%。42，故N2的平衡體積分?jǐn)?shù)424－2x714－2×71(4)由于N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) H<0，反應(yīng)開始時(shí)，溫度大于零，隨著反應(yīng)進(jìn)行，達(dá)到平衡前 NH 的物質(zhì)的量增加，達(dá)到平衡后，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)， NH 的物質(zhì)的3 3量將減少，圖示見答案。(5)根據(jù)流程圖可知，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步驟見Ⅳ (熱交換)，用合成氨放出熱量對(duì)N2和H2進(jìn)行預(yù)熱。合成氨的正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減少的放熱反應(yīng)，為提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率，又不降低反應(yīng)速率，可采取對(duì)原料加壓、分離液氨，使化學(xué)平衡正向移動(dòng)，同時(shí)對(duì)未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)使用，提高原料轉(zhuǎn)化率?！具x考真題】：(2014·浙江選考，30)30．【加試題】(10分)氨氣及其相關(guān)產(chǎn)品是基本化工原料，在化工領(lǐng)域中具有重要的作用。(1)

以鐵為催化劑， 0.6mol氮?dú)夂?.8mol氫氣在恒溫、容積恒定為 1L的密閉容器中反應(yīng)生成氨氣， 20min后達(dá)到平衡，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為 0.3mol。①在第25min時(shí)，保持溫度不變，將容器體積迅速增大至 2L并保持恒容，體系達(dá)到平衡時(shí) N2的總轉(zhuǎn)化率為 38.2%，請(qǐng)畫出從第 25min起H2的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間變化的曲線。0.71ˉL·lom/0.6)2H(c0.5102030405060t/min第30題圖________(填增大、減②該反應(yīng)體系未達(dá)到平衡時(shí)，催化劑對(duì)逆反應(yīng)速率的影響是少或不變)。(2)①N2H4是一種高能燃料，有強(qiáng)還原性，可通過NH3和NaClO反應(yīng)制得，寫出該制備反應(yīng)的化學(xué)方程式________②N24的水溶液呈弱堿性，室溫下其電離常數(shù)K161，則0.01mol·Lˉ24H≈1.0×10ˉNH水溶液的pH等于________(忽略N2H4的二級(jí)電離和H2O的電離)。③已知298K和101kPa條件下：N2(g)＋3H2(g)＝2NH3(g)H12H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l)H22H2(g)＋O2(g)＝2H2O(g)H34NH3(g)＋O2(g)＝2N2H4(l)+2H2O(l)H4則N2H4(l)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱H＝________科學(xué)家改進(jìn)了NO2轉(zhuǎn)化為HNO3的工藝(如虛框所示)，在較高的操作壓力下，提高N2O4/H2O的質(zhì)量比和O2的用量，能制備出高濃度的硝酸。NH3(g)→NO(g)H2O(l)→NO2(g)→N2O4(l)———→HNO3(aq)O2(g)實(shí)際操作中，應(yīng)控制N2O4/H2O質(zhì)量比高于5.11，對(duì)此請(qǐng)給出合理解釋________【答案】：30．(10分)0.71ˉL·lom/(1))2H(c0.5102030405060①t/min②增大①2NH3＋NaClO＝N2H4＋NaCl＋H2O②1031③2H2―ΔH1―2H42N2O4＋2H2O＋O2＝4HNO3，N2O4/H2O質(zhì)量比等于5.11時(shí)恰好完全反應(yīng)；高于5.11是為了提高N2O4濃度，有利于平衡正向移動(dòng)，得到高濃度的硝酸?！灸M試題】30．【加試題】（10分）合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)原理為：N2(g)+3H2(g)－12NH3(g)△H＝－92.4kJmol·,（1）某科研小組研究：在其他條件不變的情況下，改變起始物氫氣的物質(zhì)的量對(duì)合成 NH3反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如右圖所示：（圖中T表示溫度，n表示起始時(shí)H2物質(zhì)的量）①圖像中T2和T1的關(guān)系是：T2T1（填“>”、“<”、“=”或“無法確定”）。②若容器容積為1L，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的n=0.15mol，測(cè)得平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率為60%，則平衡時(shí)N2的物質(zhì)的量濃度為mol·L－1。（2）一種工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)易流程圖如下：步驟Ⅱ中制氫氣原理如下：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)△H＝+206.4kJmol·－1②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H＝－41.2kJmol·－1寫出氫氣和二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)生成甲烷和水蒸氣的熱化學(xué)方程式。（3）CO可使合成氨的催化劑中毒而失去活性，因此工業(yè)上常用乙酸二氨合銅（I）溶液來吸收原料氣體中的CO，反應(yīng)原理：[Cu（NH3）2CH3COO]（l）+CO（g）+NH3（g）[Cu（NH3）3]CH3COOCO（l）△H＜0，吸收后的乙酸銅氨溶液經(jīng)過適當(dāng)處理后可再生而恢復(fù)其吸收CO的能力，則再生的適宜條件是 ．（4）用氨氣制取尿素 [CO(NH2)2]的反應(yīng)為：2NH3(g)+CO2(g)

CO(NH2)2(l)+H

2O(g)

H<0某溫度下，向容積為 100L的密閉容器中通入 4molNH3和2molCO2，該反應(yīng)進(jìn)行到時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí) CO2的轉(zhuǎn)化率為 50%。若保持其它條件不變情況下，請(qǐng)?jiān)趫D中用實(shí)線畫出使用催化劑時(shí)該反應(yīng)（ 0~70s）的進(jìn)程曲線。

40S（5）羥胺NH2OH可以看出是NH3分子內(nèi)的一個(gè)氫原子被羥基取代的衍生物。①NH2OH水溶液呈弱堿性，室溫下其電離平衡常數(shù)k=9.0×10-9，某NH2OH水溶液中NH3OH+的物質(zhì)的量濃度為3.0×10-6mol/L，則該溶液中NH2OH的電離度為（忽略水的電離）②以硝酸水溶液作