高中化学鲁科版化学与技术主题一空气资源氨的合成单元测试 专题2氨的工业合成

课题2氨的工业合成1．认识合成氨的反应原理和特点，并能依据化学反应速率和化学平衡原理综合考虑合成氨生产中的相关因素，选择合成氨反应的最佳条件。(重点)2．知道获得大量廉价的氢气是实现合成氨生产的关键问题，知道合成氨工业原料氮气和氢气获得的途径和方法，能够写出相应的化学方程式。(重点)3．能根据合成氨反应的特点分析氮气和氢气不能完全转化的原因，知道循环法使未转化的氮气和氢气得到利用的原理和方法。(重难点)4．知道选择适宜的反应条件、确定原料路线、解决未转化完全的原料气的利用是合成氨生产中的主要技术问题。探索合成氨的最佳条件1.合成氨反应的化学方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温、高压))2NH3。2．合成氨反应的特点(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积缩小的反应。3．合成氨最佳条件的选择(1)理论分析从化学反应速率的角度看，升温、加压以及使用催化剂都可以使合成氨的化学反应速率增大。从化学平衡的角度看，平衡混合气中氨的含量随着温度的升高而降低，随压强的增大而提高。这说明温度、压强对这一反应的化学平衡有影响：降温、增压有利于氨的合成。(2)实际生产中的最佳条件合成氨一般选择以铁触媒为催化剂，压强在20～50_MPa之间，温度在500_℃左右。1．合成氨反应为放热反应，在低温下有利于氨的合成，为什么实际上选用了500°C的高温？【提示】目前，合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多组分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500°C左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500°C左右进行的重要原因之一。如何获得大量廉价的原料气1.获得氮气的方法：分离空气。2．获得氢气的方法方法反应原理电解水法2H2Oeq\o(=,\s\up8(通电))2H2↑＋O2↑煤或焦炭法C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高温))CO＋H2天然气或重油法CH4＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))CO＋3H2CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(△))CO2＋H22．评价上述几种制氢方法，你认为哪种方法是最佳选择？【提示】电解水制氢气，电能消耗大，成本高；天然气与煤相比较，天然气输送方便、投资省、能耗低。所以用天然气做合成氨的原料为最佳选择。怎样利用未转化的氮气和氢气在实际生产中采用了循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混合气用循环压缩机重新送入合成塔进行反应，同时不断地补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环流程，使氮气和氢气得到充分利用。合成氨条件的选择【问题导思】①合成氨工业生产的要求是什么？【提示】a．反应有较大的反应速率；b.最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。②影响化学平衡移动的外界因素有哪些？【提示】温度、浓度、压强。③合成氨实际生产中采用高温、高压、催化剂，其中有利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？【提示】高温不利于平衡正向移动；催化剂对化学平衡无影响；高压利于平衡正向移动，能提高平衡混合物中NH3的百分含量。1．合成氨生产的要求合成氨工业要求：①反应要有较大的反应速率；②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。2．合成氨条件的选择依据运用化学反应速率和化学平衡移动原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。3．合成氨条件的理论分析(1)浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加N2的比例。(2)压强：无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在20～50MPa之间。(3)温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以500℃(4)催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多采用以铁为主的催化剂。为了提高合成氨生产的综合经济效益，还有三点是不可忽视的：①使原料气中n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后送入合成塔再次利用；③及时将NH3从平衡混合物中分离出来。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NH3⑥补充N2或H2⑦加催化剂⑧减小N2或H2的量A．①④⑤⑦ B．③⑤⑧C．②⑥ D．②③⑥⑦【解析】合成氨反应N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up8(高温、高压),\s\do8(催化剂))2NH3(g)ΔH<0的特点为：可逆、放热、气体分子总数减小。加压、升温、增加N2或H2浓度，使用催化剂均能加快反应速率；加压、降温、及时分离出NH3、增加c(N2)和c(H2)均有利于平衡正向移动，增大氨的产率。【答案】C改变外界条件加快反应速率时，不一定使化学平衡正向移动；改变外界条件使化学平衡正向移动时，化学反应速率不一定加快。1．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20～50MPa，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20～50MPa，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合成氨的生产工艺及原料气的制备【问题导思】①合成氨生产中需要的原料气是什么？【提示】氮气和氢气。②如何获得合成氨原料气？【提示】获得N2的方法：来自空气，分离方法有深冷分离、变压吸附分离、分离膜分离。获得H2的方法：电解水、由煤或焦炭制H2、由天然气或重油制H2。③如何能提高合成氨工业中原料气的利用率？【提示】使平衡正向移动：加压、不断分离出NH3、将N2、H2循环利用。1．工艺流程2．氮气的制备(1)物理方法：将空气用深冷分离、变压吸附分离或膜分离制得N2和O2。(2)工业上所采用的化学方法：用煤在空气中燃烧，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。3．氢气的制造合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因素。由电解水制氢气，电能消耗大，成本高，不适于制取大量的氢气。下图是工业合成氨及与之相关的工艺流程图。仔细阅读、分析上述框图，并解答下列问题：(1)写出①、②的操作方法：①________、②________。(2)写出A、B两个化学方程式：A____________________________________、B______________________________________________________________。(3)Ⅰ、Ⅱ的气体成分相同吗？________。(4)节能降耗势在必行，也是工业发展的命脉。就上述工艺流程框图，指出该框图中的一条符合节能降耗宗旨的措施：______________________________。【解析】(1)工业合成氨的氮气原料来自于空气，传统的空气分离方法是降温、加压而液化，然后升温精馏分离，这种方法叫深冷分离，现在工业上也常采用膜分离技术。(2)合成氨的氢气多来自石油、天然气，目前也多采用煤的综合利用，如煤的液化操作；工业合成氨采用的条件是高温、高压和催化剂。(3)进入热交换器的是温度较高的氨气、氮气和氢气混合气体，而从其中出来的仍然是这些气体，不同的是温度降低了。(4)工业生产往往采用循环利用原料、热量，采用废物利用来提高经济效益，从而达到节能降耗的目的。【答案】(1)①液化(或答“深冷分离”、“膜分离”都可以)②冷凝(2)C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高温))CO＋H2或CH4＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))CO＋3H2或CH4＋2H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))CO2＋4H2(写出其中任何一个即可)3H2＋N2eq\o(,\s\up8(高温、高压),\s\do8(催化剂))2NH3(3)相同(4)液化分离液氨后的氮气和氢气循环利用(或“热的氨气、氢气和氮气混合气体与冷的氮气、氢气混合气体进行热交换”)2．下面是合成氨的简要流程示意图：【导学号：28920005】沿X路线回去的物质是()A．N2和H2 B．催化剂C．NH3 D．H2【答案】A1．熟记合成氨反应的1个化学方程式：N2＋3H2eq\o(,\s\up8(高温、高压),\s\do8(催化剂))2NH3。2．明确合成氨反应的3个特点：(1)可逆反应；(2)放热反应；(3)气体总体积减小的反应。3．知道合成氨2种原料气的获得方法：氮气——分离空气；氢气——煤或焦炭法、天然气或重油法。4．理解工业合成氨的3个条件。(1)500℃1．在合成氨反应N2＋3H22NH3中，在下列情况下，不能使化学反应速率增大的是()A．加入氮气 B．加入合适的催化剂C．减小压强，扩大容器体积 D．适当升高温度【解析】加快反应速率的外界条件有：升高温度、增大压强(有气体参加的反应)、增大反应物浓度、使用催化剂等。【答案】C2．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是()【导学号：28920006】A．使用铁触媒，将N2和H2混合有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨C．450℃D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率【解析】勒夏特列原理运用范围，就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素。选项A中催化剂不能使平衡移动；选项B中加压可使合成氨反应正向移动；选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，450℃左右铁触媒活性最大；选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。【答案】B3．1908年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④【解析】合成氨反应为气体分子总数减少的放热反应，操作①是为了除去杂质，防止催化剂中毒；②增大压强，有利于该反应向右进行，能够提高转化率；③催化剂只能加快反应速率，不影响化学平衡，故不能提高转化率；④将产物NH3液化分离和⑤循环操作，均能使原料更充分地利用，提高原料的转化率。【答案】B4．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】B5．氨的合成是一个可逆反应，其正反应是放热的、气体总体积缩小的反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。填表说明反应条件的改变对这一反应速率的影响和对平衡混合气中氨含量的影响。条件的改变对合成氨反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响增大压强降低温度使用催化剂【答案】条件的改变对合成氨反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响增大压强加快增多降低温度减慢增多使用催化剂加快无影响学业分层测评(二)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．合成氨工业上采用循环操作主要是为了()A．加快反应速率B．提高NH3的平衡浓度C．降低NH3的沸点D．提高N2和H2的利用率【解析】循环操作后增大了反应物N2和H2的浓度，加快了反应速率，提高了NH3的平衡浓度，但主要是提高N2和H2的利用率，不至于浪费原料。【答案】D2．合成氨过程中为提高原料氢气的转化率而所采取的下列措施中不正确的是()A．不断将NH3分离出来B．使用过量的N2C．采用高温 D．采用高压【解析】由N2＋3H22NH3的特点可知，高温平衡左移不利于提高H2的转化率。高压和减小NH3的浓度均使平衡右移。使用过量的N2有利于提高H2的转化率。【答案】C3．对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是()【导学号：28920007】A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用【解析】对化学反应N2＋3H22NH3，催化剂只能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的反应方向移动。【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[CO(NH2)2]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\do8(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(催化剂),\s\do8(高温))H2＋CO，CO＋H2O=H2＋CO2总反应方程式为：C＋2H2O=2H2＋CO2；B项CO＋H2Oeq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(高温))H2＋CO2；C项CH4＋2H2Oeq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())4H2＋CO2；D项C5H12＋10H2Oeq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())16H2＋5CO2，C6H14＋12H2Oeq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())19H2＋6CO2。产物中，n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1的最合适。【答案】D5．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】C6．合成氨反应达到平衡时，氨气的百分含量与温度、压强的关系如图所示。根据此图，判断合成氨工业最有前途的研究发展方向是()A．研究耐高压的合成塔B．研制低温催化剂C．提高分离技术D．探索不用氢氮合成氨的新途径【答案】B7．用焦炭、空气、水为原料制备NH3，则参加反应的焦炭与产品氨气之间的物质的量之比为()A．3∶4 B．3∶2C．2∶3 D．1∶2【解析】由反应：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())CO＋H2，CO＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())CO2＋H2，N2＋3H2eq\o(=,\s\up8(高温、高压),\s\do8(催化剂))2NH3可得：C～2H2～eq\f(4,3)NH3。【答案】A8．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】D9．将V1L的H2和V2L的N2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V3LA．(V1＋V2＋V3)L B．(V1＋V2－V3)LC．(V1＋V2－2V3)L D．[V3－(V1＋V2)]L【解析】根据差量法计算。由N2＋3H22NH3，可知NH3～ΔV(减少)，因ΔV＝(V1＋V2－V3)L，故V(NH3)＝ΔV＝(V1＋V2－V3)L。【答案】B[能力提升]10．如图所示“合成氨”的演示实验(夹持仪器均已省略)。在Y形管的一侧用Zn粒和稀H2SO4反应制取H2，另一侧用NaNO2固体和NH4Cl饱和溶液反应制取N2，N2和H2混合后通过还原铁粉来合成NH3，再将产生的气体通入酚酞试液中，若酚酞试液变红，则说明产生了氨气。某课外活动小组通过查阅资料和多次实验，得到了如下信息：信息一：NaNO2固体和饱和NH4Cl溶液混合加热的过程中发生如下反应：①NaNO2＋NH4Cleq\o(=,\s\up8(△),\s\do8())NH4NO2＋NaCl②NH4NO2eq\o(=,\s\up8(△))NH3↑＋HNO2③2HNO2eq\o(=,\s\up8(△))N2O3↑＋H2O④2NH3＋N2O3eq\o(=,\s\up8(△))2N2＋3H2O信息二：查阅资料，不同体积比的N2、H2混合气体在相同实验条件下合成氨，使酚酞试液变红所需要的时间如下：N2和H2的体积比5∶13∶11∶11∶31∶5酚酞变红色所需时间/min8～97～86～73～49～10据此回答下列问题：(1)Y形管左侧管中发生反应的离子方程式__________________________________________________________________________________________。(2)铁粉撒在石棉绒上的目的是___________________________________________________________________________________________________。(3)课外活动小组的同学们认为，该实验中即使酚酞变红也不能说明N2和H2反应合成了NH3，得出此结论的理由是。请你另设计一个简单的实验验证你的理由________________________________________________________________________。欲解决这一问题，可以选用下图中的________装置连接在原装置中的________和________之间。(4)在上述实验过程中，为尽快观察到酚酞试液变红的实验现象，应该控制N2和H2的体积比为_______比较适宜；但该装置还难以实现此目的，原因是_____________________________________________________________________。(5)实验过程中通入试管C中的气体成分有________。【解析】(1)根据Y形管右侧管需加热，说明右侧管反应制取N2，左侧管反应制取H2。(2)铁粉撒在石棉绒上的目的是增大与混合气体的接触面积，从而提高催化效率，增大反应速率。(3)因为NH4NO2分解可产生NH3，所以不能证明N2和H2反应生成了NH3。直接将Y形管中混合气体通入酚酞试液，若试液变红，则理由成立，否则理由不成立。在A、B之间加一个除NH3的装置，排除了NH3的干扰。(4)由表可知V(N2)∶V(H2)＝1∶3时，反应最快，在Y形管中，无法控制气体的体积。(5)气体成分中有生成的NH3，同时还有未反应的N2、H2。【答案】(1)Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑(2)增大混合气体与催化剂的接触面积，使反应进行得更快(3)从分步反应可知，产生N2的过程中，有可能直接产生氨气将混合加热产生的气体直接通入酚酞试液，若试液变红，则说明理由成立；否则，说明理由不成立③AB(4)1∶3无法控制通入B中N2和H2的体积比(5)NH3、N2、H211．合成氨工业的主要反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，回答下列问题。(1)原料N2不能用空气代替，而必须用纯N2，这是因为__________________。H2来自水和焦炭，有关的化学方程式为：_____________________________________________________________________________________________。原料气体必须经过净化的原因是___________________________________。(2)在合成塔中合成氨要在高温、高压和有催化剂的条件下进行，试分析各反应条件的作用：温度(500℃________________________________________________________________。压强(5×107Pa)___________________________________________________。催化剂(铁触媒)__________________________________________________。(3)从合成塔里出来的混合气体中含15%的氨。①若N2和H2的转化率相等，则转化率为________。②工业上采用________法将氨分离出来。【解析】(3)利用“三段式”进行分析。由于N2和H2转化率相等，则二者起始投料物质的量比为1∶3。N2(g)＋3H2(g)2NH3起始(mol)130转化(mol)x3x2x平衡(mol)1－x3－3x2x则eq\f(2x,4－2x)×100%＝15%，解得x＝，转化率为eq\fmol,1mol)×100%＝%。【答案】(1)空气中的O2与H2混合加热会发生爆炸C(s)＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(高温),\s\do8())CO(g)＋H2(g)，CO(g)＋H2O(g)eq\o(=,\s\up8(催化剂),\s\do8(△))CO2(g)＋H2(g)除去原料气中的杂质，防止催化剂中毒(2)加快反应速率，缩短达到平衡的时间且催化剂在此温度下活性最大既加快反应速率，也能促使平衡向正反应方向移动，提高NH3在平衡混合物中的百分含量加快反应速率，缩短达到平衡的时间(3)①%②冷凝12．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＝－kJ·mol－1，他因此获得了1918年诺贝尔化学奖。试回答下列问题：【导学号：28920008】(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(20～50MPa)B．采用500℃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循环到合成塔中，并补充N2和H2(2)下图是实验室模拟工业合成氨的简易装置，简述检验有氨气生成的方法：____________________________________________________________________。(3)在298K时，将10molN2和30molH2通入合成塔中，放出的热量小于924kJ，原因是________________________________________________________________________________________________________________________。(4)1998年希腊亚里斯多德大学的Marmellos和Stoukides采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H＋)，实现了高温、常压下高转化率的电化学合成氨。其实验装置如下图，则其阴极的电极反应式为__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【解析】(1)勒·夏特列原理只解释平衡移动问题。(2)