2019-2020年高中化學(xué)第1單元走進(jìn)化學(xué)工業(yè)課題2人工固氮技術(shù)-合成氨作業(yè)新人教版.doc

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2019-2020年高中化學(xué)第1單元走進(jìn)化學(xué)工業(yè)課題2人工固氮技術(shù)-合成氨作業(yè)新人教版一、氮的存在和氮的固定1.下列過(guò)程屬于氮的固定的是() A.閃電下N2與O2反應(yīng)生成NOB.NO2溶于水生成HNO3C.工業(yè)上用NH3制造尿素CO(NH2)2 D.NH3與Cl2反應(yīng)生成N2和HCl解析:A項(xiàng),N2轉(zhuǎn)化為NO,屬于氮的固定;NO2HNO3,NH3CO(NH2)2均為由含氮化合物轉(zhuǎn)化為含氮化合物的過(guò)程,不是氮的固定;NH3N2,含氮化合物轉(zhuǎn)化為N2,不屬于氮的固定。答案:A2.農(nóng)作物生長(zhǎng)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)獲得銨態(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(xiě)出氮?dú)廪D(zhuǎn)化為硝酸的化學(xué)方程式,。解析:電閃雷鳴的雨天,會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象,使空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?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。答案:N2+O22NO2NO+O22NO23NO2+H2O2HNO3+NO二、合成氨的反應(yīng)原理3.哈伯因發(fā)明了由氮?dú)夂蜌錃夂铣砂睔獾姆椒ǘ@得1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)向一密閉容器中充入1 mol N2和3 mol H2,在一定條件下使該反應(yīng)發(fā)生,有關(guān)說(shuō)法正確的是()N2+3H22NH3A.達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),N2將完全轉(zhuǎn)化為NH3B.達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度一定相等C.達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度不再變化D.達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率都為零解析:合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng),故氮?dú)?、氨氣不能完全轉(zhuǎn)化,化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡,達(dá)到平衡時(shí)正、逆反應(yīng)速率相等,但是不為零。答案:C4.合成氨時(shí)采用500 左右的溫度,主要因?yàn)樵摐囟葧r(shí)()A.合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率最大B.氮?dú)獾钠胶廪D(zhuǎn)化率最高C.鐵觸媒的活性最大D.氨在平衡混合物中的體積分?jǐn)?shù)最大解析:溫度越高,化學(xué)反應(yīng)速率越大,A項(xiàng)錯(cuò);合成NH3的反應(yīng)在低溫時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越大,B項(xiàng)錯(cuò);工業(yè)合成NH3采用500 左右的溫度主要是此時(shí)催化劑活性最大,C項(xiàng)對(duì);500 時(shí)NH3在平衡混合物中的體積分?jǐn)?shù)不一定最大,D項(xiàng)錯(cuò)。答案:C5.在合成氨工業(yè)中,采用下列哪些措施可以提高原料氣的轉(zhuǎn)化率()使用催化劑采用400500 溫度采用11073107 Pa的壓強(qiáng)不斷將氨分離出來(lái)A.B.C.D.解析:根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn),要提高原料的轉(zhuǎn)化率,應(yīng)盡量使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng),應(yīng)為高壓、降低溫度并減小NH3的濃度,故合理。答案:C6.(雙選)德國(guó)科學(xué)家格哈德埃爾特生日的當(dāng)天獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),以獎(jiǎng)勵(lì)他在表面化學(xué)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。合成氨反應(yīng)在鐵催化劑表面進(jìn)行時(shí)效率顯著提高,就是埃爾特的研究成果。下列關(guān)于合成氨反應(yīng)的敘述中,正確的是()A.鐵作催化劑可加快反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng)B.將氨從混合氣中分離,有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng)C.升高溫度可以加快反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng)D.增大壓強(qiáng)可加快反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng)解析:催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)速率,但不能使平衡移動(dòng),只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間,A項(xiàng)錯(cuò);將氨從混合氣中及時(shí)地分離出來(lái),可加快反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡正向移動(dòng),B項(xiàng)正確;升高溫度能加快反應(yīng)速率,但合成氨反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng),因此升高溫度不利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng),C項(xiàng)錯(cuò);合成氨的反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng),因此增大壓強(qiáng)可加快反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向著合成氨的方向移動(dòng),D項(xiàng)正確。答案:BD7.合成氨時(shí)既要使合成氨的產(chǎn)率增大,又要使反應(yīng)速率加快,可采取的辦法是()減壓加壓升溫降溫及時(shí)從平衡混合氣中分離出NH3補(bǔ)充N(xiāo)2或H2加催化劑減小N2或H2的量 A.B.C.D.解析:合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0的特點(diǎn)為:正反應(yīng)放熱且氣體體積減小。要使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)且反應(yīng)速率加快,應(yīng)選C。答案:C(建議用時(shí):30分鐘)1.將空氣中氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮的化合物的過(guò)程稱為固氮,下圖中能實(shí)現(xiàn)人工固氮的是()解析:A錯(cuò),因?yàn)殚W電作用下的固氮是自然固氮。B錯(cuò),因?yàn)榕c固氮風(fēng)馬牛不相及。C錯(cuò),因?yàn)樗鼘儆谧匀还痰?。D對(duì),因?yàn)镹2+3H22NH3只能靠人工完成。答案:D2.可逆反應(yīng)X(g)+2Y(g)2Z(g)(正反應(yīng)吸熱)。為了有利于Z的生成,應(yīng)采用的反應(yīng)條件是() A.高溫高壓B.高溫低壓C.低溫高壓D.低溫低壓解析:該反應(yīng)的特點(diǎn)是:正反應(yīng)是一個(gè)氣體體積縮小的吸熱反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率要快的原理:需要升高溫度、增大壓強(qiáng)、使用正催化劑;根據(jù)平衡移動(dòng)原理,也是升高溫度、增大壓強(qiáng),才有利于Z的生成。答案:A3.(雙選)下列關(guān)于氮?dú)?、氫氣合成氨的說(shuō)法中,正確的是()A.將氮?dú)?、氫氣合成?必須施加高溫、高壓、催化劑等反應(yīng)條件B.在氮?dú)狻錃夂铣砂钡幕瘜W(xué)反應(yīng)中,催化劑的性能對(duì)反應(yīng)物的溫度和壓強(qiáng)的高低具有一定的制約作用C.現(xiàn)代工業(yè)上實(shí)施的合成氨屬于仿生固氮D.現(xiàn)代工業(yè)上實(shí)施的合成氨屬于人工固氮解析:生物固氮,是自然界中的一些微生物種群(如豆科植物的根瘤菌)以自身的固氮酶為催化劑,在常溫、常壓下,通過(guò)生物化學(xué)過(guò)程,將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成含氮化合物的固氮過(guò)程。仿生固氮是人為地利用具有固氮酶作用的人造催化劑在常溫、常壓下的固氮。顯然,現(xiàn)代工業(yè)上實(shí)施的合成氨不屬于仿生固氮。答案:BD4.某條件下合成氨反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)為25%,若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比是()A.B.C.D.解析:方法一:通過(guò)假設(shè)反應(yīng)前N2、H2的物質(zhì)的量,結(jié)合反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化量與化學(xué)方程式中化學(xué)計(jì)量數(shù)的關(guān)系,列方程求算。設(shè)起始時(shí)H2為a mol,N2為b mol,平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量為x mol,則3H2+N22NH3起始時(shí)(mol):ab0轉(zhuǎn)化量(mol):x平衡后(mol):x依題意可得方程式:100%=25%化簡(jiǎn)得:。方法二:設(shè)反應(yīng)后平衡時(shí)混合氣體的體積為100 L,則氨氣為25 L,根據(jù)該反應(yīng)的特點(diǎn)知反應(yīng)前混合氣體體積為125 L,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比是。答案:A5.氮?dú)馀c其他單質(zhì)化合,一般需高溫,有時(shí)還需高壓等條件,但金屬鋰在常溫、常壓下就能與氮?dú)饣仙傻?。這是因?yàn)?)此反應(yīng)可能是吸熱反應(yīng)此反應(yīng)可能是放熱反應(yīng)此反應(yīng)可能是氮分子不必先分解為原子此反應(yīng)發(fā)生前可能氮分子已先分解成原子A.B.C.D.解析:氮分子是由兩個(gè)氮原子通過(guò)三鍵結(jié)合起來(lái)的,結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定,如果發(fā)生反應(yīng)時(shí)分子分解成原子會(huì)消耗很多能量,此時(shí)必須在高溫下進(jìn)行。如果鋰和氮?dú)飧鶕?jù)以上原理反應(yīng),同樣必須在高溫下進(jìn)行,而題中明確指出金屬鋰在常溫、常壓下就能與氮?dú)夥磻?yīng)。因此鋰和氮?dú)夥磻?yīng)時(shí)可能沒(méi)有破壞氮分子(變成原子),且反應(yīng)放熱,可提供反應(yīng)所需能量。答案:C6.某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng):2A(g)+B(g)2M(g)H0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說(shuō)法正確的是()A.工業(yè)上合成M時(shí),一定采用高壓條件,因?yàn)楦邏河欣贛的生成B.若物質(zhì)B價(jià)廉易得,工業(yè)上一般采用加入過(guò)量的B,以提高A和B的轉(zhuǎn)化率C.工業(yè)上一般采用較高溫度合成M,因溫度越高,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D.工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑,因?yàn)樯a(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量解析:高壓有利于該反應(yīng)的進(jìn)行,但增大壓強(qiáng)對(duì)設(shè)備的要求大,成本高,若反應(yīng)在常壓條件下轉(zhuǎn)化率已很高就沒(méi)必要采用高壓,A項(xiàng)錯(cuò)誤;增加B的量,可提高A的轉(zhuǎn)化率,但B的轉(zhuǎn)化率不會(huì)增大,B項(xiàng)錯(cuò)誤;升高溫度,平衡逆向移動(dòng),反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低,C項(xiàng)錯(cuò)誤;催化劑能提高化學(xué)反應(yīng)速率,D項(xiàng)正確。答案:D7.有關(guān)合成氨工業(yè)說(shuō)法中正確的是()A.從合成塔出來(lái)的混合氣體,其中NH3只占15%,所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低B.由于氨易液化,N2、H2是循環(huán)使用的,總體來(lái)說(shuō)氨的產(chǎn)率較高C.合成氨反應(yīng)溫度控制在400500 ,目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D.合成氨采用的壓強(qiáng)是1030 MPa,因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大解析:由于采用循環(huán)操作,故氨的產(chǎn)率較高;控制溫度在400500 是綜合考慮反應(yīng)速率、平衡移動(dòng)和催化劑的活性溫度;采用壓強(qiáng)1030 MPa目的是獲得較快的速率、較高的產(chǎn)率以及考慮動(dòng)力、設(shè)備等因素。答案:B8.合成氨的溫度和壓強(qiáng)通常控制在約500 以及11073107 Pa的范圍,且進(jìn)入合成塔的N2和H2的體積比為13。經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,在相應(yīng)條件下N2和H2反應(yīng)所得氨的平衡濃度(體積分?jǐn)?shù))如下表所示:壓強(qiáng)1107 Pa3107 Pa氨的體積分?jǐn)?shù)19.1%42.2%而實(shí)際從合成塔出來(lái)的混合氣體中含氨約為15%,這表明()A.表中所測(cè)數(shù)據(jù)有明顯的誤差B.生產(chǎn)條件控制不當(dāng)C.氨的分解速率大于預(yù)測(cè)值D.合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡解析:含氨約為15%小于19.1%,因此N2、H2的轉(zhuǎn)化率仍很低,反應(yīng)正在向著生成氨的方向進(jìn)行,表明合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡。答案:D9.在一定條件下,將10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密閉容器中,發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并達(dá)到平衡狀態(tài),則H2的轉(zhuǎn)化率可能是()A.15%B.30%C.35%D.75%解析:對(duì)可逆反應(yīng)而言,任何一種物質(zhì)都不能完全轉(zhuǎn)化。為方便解題,假設(shè)N2完全轉(zhuǎn)化,則消耗H2的物質(zhì)的量n消耗(H2)=3n(N2)=3.0 mol。事實(shí)上,N2完全轉(zhuǎn)化是不可能的,因而消耗H2的物質(zhì)的量小于3.0 mol,故H2的最大轉(zhuǎn)化率為:嶙畬(H2)100%=30%故A項(xiàng)正確。答案:A10.一密封體系中發(fā)生下列反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)Hv(正),平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),對(duì)照反應(yīng)式可看出條件變化應(yīng)是“升高溫度”;t3時(shí)刻,v(正)、v(逆)都同等程度加快,應(yīng)是“加催化劑”;t4時(shí)刻,v(正)、v(逆)都減慢,且v(正)v(逆),平衡逆向移動(dòng),所以是由“減小壓強(qiáng)”引起的。由于t1t2時(shí)間段和t4t5時(shí)間段,平衡都向逆反應(yīng)方向移動(dòng),氨百分含量都減小,所以應(yīng)是t0t1時(shí)間段,氨百分含量最高。答案:(1)t0t1t2t4t5t6(2)升高溫度加催化劑減小壓強(qiáng)(3)A11.已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0?；卮鹣铝袉?wèn)題:(1)從影響速率和平衡的因素分析,要有利于NH3和SO3的生成,理論上應(yīng)采取的措施是。實(shí)際生產(chǎn)中采取的措施分別是。(2)在實(shí)際生產(chǎn)的合成氨過(guò)程中,要分離出氨氣,目的是;而合成SO3過(guò)程中,不需要分離出SO3,原因是。解析:工業(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)行程度已經(jīng)很大,采用高壓雖能使平衡向生成SO3方向移動(dòng),但產(chǎn)生高壓既需要?jiǎng)恿τ謱?duì)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(shí)際生產(chǎn)時(shí),在常壓下進(jìn)行最合理。答案:(1)高溫、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)減少生成物濃度,使平衡向生成NH3方向移動(dòng)該反應(yīng)向生成SO3的方向進(jìn)行程度大,達(dá)到平衡后SO2含量較少,故不需要分離SO312.科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道:在常溫、常壓、光照條件下,N2在催化劑(摻有少量Fe2O3的TiO2)表面與水發(fā)生反應(yīng),生成的主要產(chǎn)物為NH3。進(jìn)一步研究NH3生成量與溫度的關(guān)系,部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表(光照、N2壓強(qiáng)為1.0105 Pa、反應(yīng)時(shí)間3 h):T/K303313323353NH3生成量/(10-6 mol)4.85.96.02.0相應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下:N2(g)+3H2O(l)2NH3(g)+O2(g)H=+765.2 kJmol-1回答下列問(wèn)題:(1)與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比,該方法中固氮反應(yīng)速率慢。請(qǐng)?zhí)岢隹商岣咂浞磻?yīng)速率且增大NH3生成量的建議:。(2)工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。設(shè)在容積為2 L的密閉容器中充入0.6 mol N2(g)和1.6 mol H2(g),反應(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡時(shí),NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(NH3的物質(zhì)的量與反應(yīng)體系中總的物質(zhì)的量之比)為。計(jì)算:該條件下N2的平衡轉(zhuǎn)化率;該條件下反應(yīng)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常數(shù)。解析:(1)該反應(yīng)正反應(yīng)是吸熱反應(yīng),升高溫度,使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),從而增大NH3的生成量,升高溫度也能提高反應(yīng)速率;增大反應(yīng)物N2的濃度,能加快反應(yīng)速率,并使化學(xué)平衡向右移動(dòng);不斷移出生成物,使平衡向右移動(dòng),增大NH3的生成量。(2)由三段式法計(jì)算可知,起始時(shí):c(N2)=0.3 molL-1,平衡時(shí):c(N2)=0.1 molL-1;c(H2)=0.2 molL-1;c(NH3)=0.4 molL-1。所以N2的平衡轉(zhuǎn)化率=(0.6-0.2)mol0.6 mol100%66.7%;反應(yīng)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常數(shù)K=0.005。答案:(1)升高溫度,增大反應(yīng)物N2的濃度,不斷移出生成物(2)該條件下N2的平衡轉(zhuǎn)化率:66.7%;該條件下反應(yīng)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常數(shù)為0.005。