选修2主题1课题2氨的工业合成 同步练习（含答案）

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】　D
2．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N2
C．采用高温
D．采用高压
【解析】　由N2＋3H2??2NH3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】　C
3．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
(　　)
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＋3H2??2NH3，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】　C
4．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．CO
C．天然气
D．石脑油(C5H12、C6H14)
【解析】　生产出的H2用于合成NH3，N2＋3H22NH3。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＋H2OH2＋CO，CO＋H2O===H2＋CO2总反应方程式为：C＋2H2O===2H2＋CO2；B项CO＋H2OH2＋CO2；C项CH4＋2H2O4H2＋CO2；D项C5H12＋10H2O16H2＋5CO2，C6H14＋12H2O19H2＋6CO2。产物中，n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1的最合适。
【答案】　D
5．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．②③
C．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】　C
6．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】　B
7．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∶2
C．2∶3
D．1∶2
【解析】　由反应：C＋H2O(g)CO＋H2，CO＋H2O(g)CO2＋H2，N2＋3H22NH3可得：C～2H2～NH3。
【答案】　A
8．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、30
MPa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，773
K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】　D
9．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V3L(气体体积均在相同条件下测定)，则生成NH3的体积是(　　)
A．(V1＋V2＋V3)L
B．(V1＋V2－V3)L
C．(V1＋V2－2V3)L
D．[V3－(V1＋V2)]L
【解析】　根据差量法计算。
由N2＋3H2??2NH3，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＋NH4ClNH4NO2＋NaCl
②NH4NO2NH3↑＋HNO2
③2HNO2N2O3↑＋H2O
④2NH3＋N2O32N2＋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∶1
3∶1
1∶1
1∶3
1∶5
酚酞变红色所需时间/min
8～9
7～8
6～7
3～4
9～10
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　③　A　B
(4)1∶3　无法控制通入B中N2和H2的体积比
(5)NH3、N2、H2
11．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)
1
3
0
转化(mol)
x
3x
2x
平衡(mol)
1－x
3－3x
2x
则×100%＝15%，解得x＝0.261，
转化率为×100%＝26.1%。
【答案】　(1)空气中的O2与H2混合加热会发生爆炸　C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)，CO(g)＋H2O(g)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)①26.1%　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＝－92.4
kJ·mol－1，他因此获得了1918年诺贝尔化学奖。试回答下列问题：
(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(20～50
MPa)
B．采用500
℃的高温
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298
K时，将10
mol
N2和30
mol
H2通入合成塔中，放出的热量小于924
kJ，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)根据氨的性质进行检验。(3)合成氨的反应是可逆反应。(4)根据合成氨反应中的氧化剂、电解池中阴极反应特点及电解质成分进行分析。
【答案】　(1)AD
(2)用湿润的红色石蕊试纸放在管口处，若试纸变蓝则说明有氨气生成
(3)该反应是可逆反应，10
mol
N2与30
mol
H2不可能完全反应，所以放出的热量小于10×92.4
kJ＝924
kJ
(4)N2＋6H＋＋6e－===2NH3
13．Ⅰ.合成氨工业对化学的国防工业具有重要意义。写出氨的两种重要用途__________________________________________________________________。
Ⅱ.实验室制备氨气，下列方法中适宜选用的是________________。
①固态氯化铵加热分解　②固体氢氧化钠中滴加浓氨水　③氯化铵溶液与氢氧化钠溶液共热　④固态氯化铵与氢氧化钙混合加热
Ⅲ.为了在实验室利用工业原料制备少量氨气，有人设计了如下装置(图中夹持装置均已略去)。
[实验操作]
①检查实验装置的气密性后，关闭弹簧夹a、b、c、d、e。在A中加入锌粒，向长颈漏斗注入一定量稀硫酸。打开弹簧夹c、d、e，则A中有氢气发生。在F出口处收集氢气并检验其纯度。
②关闭弹簧夹c，取下截去底部的细口瓶C，打开弹簧夹a，将氢气经导管B验纯后点燃，然后立即罩上无底细口瓶C，塞紧瓶塞，如图所示。氢气继续在瓶内燃烧，几分钟后火焰熄灭。
③用酒精灯加热反应管E，继续通氢气，待无底细口瓶C内水位下降到液面保持不变时，打开弹簧夹b，无底细口瓶C内气体经D进入反应管E，片刻后F中的溶液变红。
回答下列问题：
(1)检验氢气纯度的目的是________________。
(2)C瓶内水位下降到液面保持不变时，A装置内发生的现象是________________，防止了实验装置中压强过大。此时再打开弹簧夹b的原因是______________________________________，C瓶内气体的成分是________。
(3)在步骤③中，先加热铁触媒的原因是_______________________________
________________________________________________________________。
反应管E中发生反应的化学方程式是________________________________
________________________________________________________________。
【答案】　Ⅰ.制化肥、制硝酸　Ⅱ.②④
Ⅲ.(1)排除空气，保证安全
(2)锌粒与酸脱离　尽量增大氢气的浓度以提高氮气的转化率　N2、H2
(3)铁触媒在较高温度时活性增大，加快氨合成的反应速率　N2＋3H22NH3