教学 设计：人工固氮技术合成氨

高中化学选修2化学与技术人工固氮技术-------合成氨教学设计一、选择题1．合成氨所需的原料是()①水②空气③焦炭④铁触媒A．①② B．②③C．①②③ D．全部【解析】铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。【答案】C2．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：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方法移动，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】D3．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生产效率。【答案】C4．已知焦炭、一氧化碳和烃类化合物都能与水反应产生合成尿素的原料——氢气和二氧化碳，从充分利用原料的角度考虑，用下列物质生产H2和CO2最为合适的是()A．C B．COC．天然气 D．石脑油(C5H12、C6H14)【解析】生产出的H2用于合成NH3：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(高温、高压),\s\do10(催化剂))2NH3再由NH3与CO2合成尿素。由此，可找出H2与CO2的关系式：3H2～2NH3～CO2。分别写出备选项中各物质与H2O反应的化学方程式：A项C＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))H2＋CO，CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))H2＋CO2总反应方程式为：C＋2H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))2H2＋CO2；B项CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))H2＋CO2；C项CH4＋2H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))4H2＋CO2；D项C5H12＋10H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))16H2＋5CO2，C6H14＋12H2Oeq\o(=,\s\up8(高温))19H2＋6CO2。产物中，n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1的最合适。【答案】D5．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℃D．我国合成氨厂采用的压强是10～30MPa，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选项不正确。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1×107～3×107【答案】B6．反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是()①增加C的量②将容器的体积缩小一半③保持体积不变，充入N2使体系压强增大④保持压强不变，充入N2使容器体积变大A．①④ B．②③C．①③ D．②④【解析】增加固体的量，恒容时充入与反应无关的气体，都对反应速率无影响。④相当于减压，反应速率减小。【答案】C7．对于可逆反应N2(气)＋3H2(气)2NH3(气)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】往往错选C、D，原因：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】B8．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)，673K、30MPa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，773K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，故选项A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点的值要大，故选项D正确。【答案】D9．实验室合成氨装置如下图所示，则以下说法中错误的是()A．装置甲的作用之一是干燥B．装置甲的作用是化合C．乙处导出的气体是N2、H2、NH3D．检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等【解析】装置甲的作用有三点：①干燥气体；②观察气体逸出速率便于控制比例；③使气体混合均匀。【答案】B10．在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%，氢气的体积占78%，经合成反应达到平衡后，在相同温度和压强下，气体体积缩小至原体积的95%，氮气的转化率接近于()A．% B．%C．% D．%【解析】设混合气体为100L，反应掉N2的体积为x。N2＋3H22NH3开始(L)22780平衡(L)22－x78－3x2x由题意：eq\f(22L－x＋78L－3x＋2x,22L＋78L)＝95%解得x＝2.5Lα(N2)＝eq\fL,22L)×100%＝%。【答案】A二、非选择题11.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)获得氨态氮外，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＋O2eq\o(=,\s\up8(放电))2NO2NO＋O2=2NO23NO2＋H2O=2HNO3＋NO12．已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)。请回答下列问题：(1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，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是_______________________________________。(2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是______________；而合成SO3的过程中，则不需要分离出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的方向进行的程度已经很大，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)适当温度、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)减小生成物的浓度，使平衡向生成NH3的方向移动该反应向生成SO3的方向进行的程度较大，达到平衡后SO2剩余量较少，故不需要分离SO313．某研究性学习小组利用以下材料来探究NH3的还原性，部分实验装置如下图。材料一NH3是强还原剂，能将某些金属氧化物还原为金属单质或低价态的氧化物。如：2NH3＋3CuOeq\o(=,\s\up8(△))3Cu＋N2＋3H2O；材料二Cu＋在酸性溶液中不稳定，可发生自身氧化还原反应生成Cu2＋和Cu，Cu2O＋2H＋=Cu2＋＋Cu＋H2O。请回答下列问题：(1)在实验室里，该学习小组设计下列制取纯净干燥氨气的方案，简易、可行的最佳方案是________。A．加热氯化铵固体，再通过碱石灰B．在N2和H2的混合气体中加入铁触媒，并加热至500℃C．加热浓氨水，再通过碱石灰D．在生石灰中加入浓氨水，再通过碱石灰(2)为证明NH3还原CuO的反应中有水生成，B中应放入的试剂是________。(3)当观察到____________________(填现象)，即表明A中的反应已经完成。(4)该小组欲用体积比为1∶4的稀硫酸作试剂，检验反应是否有Cu2O固体生成。现用98%的浓硫酸配制1∶4的稀硫酸，所需的玻璃仪器除了胶头滴管外还有______________________________________。可证明还原产物中含有Cu2O的操作及现象是__________________________________。(5)请写出A中生成Cu2O的化学方程式______________________________________。(6)若用定量的方法测定该反应是否生成Cu2O，最简便且准确的方法是____________。【解析】若加热氯化铵生成的氯化氢气体与氨气继续反应生成氯化铵固体，很难使气体放出，而利用氮气和氢气反应条件太复杂，C、D都可以快速制取氨气，而C用料更简单。反应为通入氨气还原氧化铜，根据固体的颜色变化可以判断反应进行的程度。根据Cu＋在酸性溶液中的不稳定性来判断。【答案】(1)C(2)无水硫酸铜(3)A中固体由黑色完全变为红色(4)烧杯、量筒、玻璃棒加入硫酸后溶液呈蓝色(其他合理答案也可)(5)2NH3＋6CuOeq\o(=,\s\up8(△))3Cu2O＋N2＋3H2O(6)称量反应前后装置A中固体的质量14．实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下：已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。(1)从上图中选择制取气体的合适装置：氮气________、氢气________。(2)氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有____________、________________________。(3)氨合成器出来经冷却的气体连续通入乙装置的水中吸收氨，________(“会”或“不会”)发生倒吸；原因是______________________________________。(4)用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是______________________________________________，锥形瓶中还可观察到的现象是______________________________________。(5)写出乙装置中氨氧化的化学方程式：______________________________________。(6)反应结束后锥形瓶内的溶液中含有H＋、OH－、________、________。【解析】本题是考查氨的合成和氨催化氧化的实验题。制取氮气用氯化铵溶液和亚硝酸钠溶液加热反应生成，故选a装置，制取氢气用锌与稀硫酸反应，不用加热，选b装置。甲装置的作用是混合氮气、氢气，干燥气体，控制氮气和氢气的流速。从氨合成器中出来的气体主要是氮气和氢气，通入水中吸收氨气，因为氮气、氢气难溶于水，不会倒吸。氨