高中化学沪科技版（2020）必修第二册6.3化工生产精品第2课时当堂检测题

6.3 化工生产 (工业制氨气)

知识点01  工业制法

1、合成氨工业

（1）反应原理：N2+3H22NH3 +Q  （2）主要设备：合成塔。

（3）合成氨条件的选择：增大N2、H2浓度，及时分离出氨；适当的温度（500℃左右）和压强（2×107Pa～5×107Pa）；采用铁催化剂。

压强：20MPa~50MPa(中压) (有利于氨的合成,对动力、材料强度、设备制造要求适中)

温度：500℃左右(速率较快,转化率适中催化剂活性最大)

催化剂：铁触媒

浓度：C(N2)：C(H2)=1：2.8（将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充）

（4）合成氨工业流程：原料气制取→净化→压缩→合成→分离→液氨，原料  循环  利用

注意：①该反应为可逆反应，所以所得产品是NH3、N2、H2的混合物，利用NH3易液化的特点将NH3分离以后，N2、H2可循环使用。

     ②原料N2可通过蒸馏液态空气获得，而原料H2一般通过焦炭与高温水蒸气反应获得，有关反应方程式为：C+H2OCO + H2，CO+H2OCO2 + H2，除去CO2即得H2。

【即学即练1】对于反应N2(g)+3H2(g)⇌ 2NH3(g) △H< 0 ，下列说法正确的是

A．缩小容器体积，N2的浓度比压缩前大

B．及时将产生的氨气液化分离，可加快正反应速率

C．升高温度，该反应的正反应速率减小，逆反应速率增大

D．选用优质催化剂，能够降低合成氨反应的焓变

知识点02  合成氨的适宜条件探究

1．原料

空气、燃料（煤、天然气、石油）、水。

2．原料N2、H2的来源

    (1) N2来源于空气

    方法一：空气液化法；方法二：用碳除氧法。

 (2) H2来源于水和燃料

  C + H2OCO + H2；CO + H2O(g)CO2 + H2。

  H2 + 水蒸气CO2 + H2H2

CH4CO + H2CO2 + H2

除去杂质后将N2、H2的混合气体用压缩机压缩至高压。

3．反应原理

    N2 (g)+ 3H2 (g)2NH3 (g)

4．合成氨适宜条件的选择

    可逆反应：N2 + 3H2⇌2NH3+Q

对比表1和表2，从影响反应速率因素和勒夏特列原理角度探究合成氨的合适条件：

表1

表2

表3    理论和实际生产条件的对比

综合考虑：

1、温度：500℃左右。从化学速率分析：温度越高越好；从化学平衡分析：温度越低越好。综合考虑以500℃左右为宜，而且在此温度下催化剂的活性最大。

2、压强：2×107～5×107 Pa。无论从速率还是从平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强越大，对设备的制造和材料的强度要求越高，所以以2×107~5×107 Pa为宜。

3、催化剂：加快反应速率但不影响平衡，提高单位时间内氨的产量，目前工业上以铁触媒为催化剂。

4、浓度：从速率及平衡角度分析，应增大氢气和氮气的浓度，降低氨的浓度。

    工业生产要求多、快、好、省。综合设备、动力等各方面的原因，确定：

    ①压强：20 MPa~50 MPa。

    ②湿度：500℃左右。

    ③催化剂：铁触媒。

5、合成氨的设备

    合成塔（由接触室和热交换器两部分组成）。

6、工业流程.

7、氨的分离

    通过冷凝器将氨液化，然后将氨分离，分离出氨的混合气体经循环操作继续使用。工业上合成塔出来的气体（又称出塔气体）通常约含26. 4%（体积分数）的氨。

生产流程图：

【即学即练2】工业合成氨反应为N2＋3H22NH3，关于该反应的说法正确的是

A．降低温度能加快反应速率

B．N2和H2能100%转化为产物

C．使用适合的催化剂能加快反应速率

D．增大反应物浓度能减慢反应速率

常见考法一  工业合成氨的制法

【例1】合成氨的反应为N2+3H2⇌2NH3  △H=-92.4kJ/mol，下列有关说法中错误的是

A．对原料气进行压缩，可增大原料气的平衡转化率

B．采用高温条件的目的是为了提高原料的平衡转化率

C．使用催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率

D．混合气分离氨后进行循环利用，遵循绿色化学思想

必杀技

【同步练习1】下列有关工业生产的叙述正确的是

A．合成氨工业中增大压强既可加快反应速率，又可提高原料转化率，所以压强越高越好

B．合成氨工业中将NH3液化分离，可加快正反应速率，提高N2、H2的转化率

C．硫酸工业中，催化氧化SO2时常通入稍过量氧气，目的是提高SO2的转化率

D．自来水厂用液氯进行自来水的消毒时会加入少量液氨，发生以下反应，生成比HClO稳定的NH2Cl：，目的是降低HClO的毒性

常见考法二  工业合成氨的条件探究

【例2】合成氨生产技术的发展方案如下表，下列说法错误的是

A．上述方案中原料应循环利用

B．铁催化剂在500℃左右催化效能最好

C．平衡时，的体积分数取决于催化剂的选择

D．寻找温和条件下的催化剂可以作为合成氨工业发展方向

必杀技

【同步练习2】已知合成氨反应：    △H=-92.4kJ·mol-1，反应过程中正反应速率的变化如图所示。下列说法正确的是

A．t1时升高了温度 B．t2时增大了压强

C．t3时减小了压强 D．t4时降低了温度

常见考法三  工业合成氨的流程图探究

【例3】

必杀技

【同步练习3】如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是

A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒

B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率

C．步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率

D．为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去

题组A  基础过关练

1．化学在生活和化工生产中起着重要的作用。有关下列叙述不正确的是

A．用食醋清洗水壶里的水垢，是因为CH3COOH的酸性比H2CO3强

B．合成氨工业中，升高温度或增大压强都是为了提高氨的平衡产量

C．氯碱工业中，电解槽的阴极区产生NaOH

D．除去尾气中Cl2，可将尾气通过含有Fe粉的FeCl2溶液

2．20世纪初，德国化学家哈伯首次用锇作催化剂在、550℃的条件下以和为原料合成了：  。2021年11月，我国报道了新的合成氨催化剂设计策略，该技术可实现温和条件下的氨催化合成。我国最新报道的氨催化合成反应的机理如图所示(*代表微粒吸附在催化剂表面)。下列说法正确的是

A．整个历程中，反应速率最慢的反应的化学方程式为：

B．催化剂吸附和会消耗能量

C．在转化过程中有非极性键的断裂和形成

D．使用该催化剂，降低了合成氨反应的活化能，提高了合成氨的平衡转化率

3．20世纪初，德国化学家哈伯首次用锇作催化剂在、550℃的条件下以和为原料合成了：  。2021年11月，我国报道了新的合成氨催化剂设计策略，该技术可实现温和条件下的氨催化合成。一种电化学气敏传感器可以检测生产中氨气的含量，其工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．溶液中向电极a移动

B．电极a的电极反应式为

C．在传感器工作一定时间后中电极b周围溶液pH减小

D．当电极b消耗标准状况下时，理论上电极a检测到

4．候德榜先生为我国的制碱工业做出了突出贡献，他将氨碱法和合成氨工艺联合起来，发明了“联合制碱法”。氨碱法中涉及的反应如下：

反应I：

反应II：

实验室模拟氨碱法制备少量Na2CO3，下列装置和操作能达到实验目的的是

A．A B．B C．C D．D

5．工业合成氨以及氨氧化制硝酸的流程如图。下列说法错误的是

A．M为O2

B．氨分离器中利用了氨易液化的性质

C．氧化炉氨的催化氧化反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为4﹕5

D．可使用氢氧化钠溶液或氨气处理尾气

题组B  能力提升练

6．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义，其原理为：  ，在不同温度、压强和相同催化剂条件下，将和充入恒容密闭容器中反应，平衡后混合物中氨的体积分数如图所示。下列说法不正确的是

A．反应焓变： B．压强：

C．M、N两点对应的平衡常数相等 D．M、N两点的平衡转化率均为80%

7．下列说法正确的是

A．Na2O和Na2O2均能与H2O反应生成NaOH，故二者都是碱性氧化物

B．工业合成氨属于人工固氮

C．用光洁的铂丝蘸取某无色溶液在无色火焰上灼烧，观察到火焰呈黄色，则一定含有Na+，不含K+

D．如图是模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3的部分装置，a通入CO2，然后b通入NH3

8．下列事实能用勒夏特列原理解释的是

A．工业合成氨一般采用400~500℃的温度

B．达平衡后，缩小容器体积可使颜色变深

C．木炭粉碎后与反应，速率更快

D．实验室常用排饱和食盐水法除去中的HCl

9．氮及其化合物在工业生产与生活中应用广泛。合成NH3实现了氮的人工固定，NH3在强碱条件下能被NaClO氧化生成N2H4，N2H4可被NaClO继续氧化生成N2，也可被HNO2氧化生成HN3，HN3是一种弱酸，酸性与醋酸相当。我国科研人员研究发现合成氨的反应历程有多种，其中有一种反应历程如图所示(吸附在催化剂表面的物质用*表示)。下列说法正确的是

A．N2生成NH3是通过多步氧化反应生成的

B．过程I和Ⅲ中能量的变化相同

C．对于N2(g)→*N2(g)，适当提高N2分压，可以加快反应速率，提高N2(g)转化率

D．若有大量氨分子吸附在催化剂表面，将降低化学反应速率

10．细菌可以促使铁、氮两种元素进行氧化还原反应，并耦合两种元素的循环。耦合循环中的部分转化如下图所示。

(1)上图所示氮循环中，属于氮的固定的有_______(填字母序号)。

a. N2转化为氨态氮         b. 硝化过程          c. 反硝化过程

(2)氮肥是水体中氨态氮的主要来源之一

①氨气是生产氮肥的主要原料，工业合成氨的化学方程式为_______。

②检验氨态氮肥中NH的方法是_______。

(3)硝化过程中，含氮物质发生_______(填“氧化”或“还原”)反应。

(4)氨态氮与亚硝态氮可以在氨氧化细菌的作用下转化为氮气。该反应中，当产生0.02 mol 氮气时，转移的电子的物质的量为_______ mol。

(5)土壤中的铁循环可用于水体脱氮：脱氮是指将氮元素从水体中除去，

①用离子方程式说明利用土壤中的铁循环脱除水体中氨态氮的原理：_______，

②用离子方程式说明利用土壤中的铁循环脱除水体中硝态氮的原理：_______。

(6)NO是大气污染气体，测定某气体样品中NO含量操作如下：

将v L气样通入适量酸化的H2O2溶液中，使NO完全被氧化为NO。向上述反应后溶液中加入v1 mL c1 mol·L−1FeSO4溶液(过量)，充分反应后，多余Fe2+与v2mL、c2 mol·L−1 K2Cr2O7恰好反应。 NO被H2O2氧化为NO的离子方程式是_______。上述过程中发生下列反应：3Fe2++NO+4H+=NO↑+3Fe3++2H2O；Cr2O+ 6Fe2+ +14H+ =2Cr3+ +6Fe3++7H2O，则气样中NO的含量为_______g /L。

题组C  培优拔尖练

11．工业合成氨的反应为：，在时，，，特定条件下的速率可表示为，其中k为反应速率常数，下列叙述正确的是

A．该反应在时不能正向自发进行

B．升高温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动

C．反应体系的三种物质中，的浓度对反应速率影响最大

D．反应达到一定转化率时将从混合气中分离出去会降低反应速率

12．工业合成氨气需要选择合适的温度来兼顾化学反应速率及产率，科学家研制出了Ti－H－Fe双温区催化剂，其催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是

A．该反应正反应的活化能高于逆反应的活化能

B．该反应的反应速率由过程④⑤决定

C．①②③在高温区发生，④⑤在低温区发生

D．增大Fe用量，不能改变反应的焓变，但可以提高N2的平衡转化率

13．对于合成氨反应，下列说法不正确的是

A．和能完全转化为 B．升高温度可加快反应速率

C．增大浓度可加快反应速率 D．使用催化剂可加快反应速率

14．合成氨工业中采用循环操作，主要是为了

A．增大化学反应速率

B．使氨气液化分离，使化学平衡向生成NH3的方向移动

C．提高氮气和氢气的利用率

D．提高平衡混合物中氨的含量

15．合成氨反应为  ，下列有关说法错误的是

A．该反应的

B．反应的(E表示键能)

C．反应中每消耗转移电子数目约等于

D．与充分反应放出的热量为

16．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。其合成原理为：。

(1)下列关于工业合成氨的说法正确的是_______。

A．因为，所以该反应一定能自发进行

B．因为，所以该反应一定不能自发进行

C．在高温下进行是为了提高反应物的转化率

D．该反应在低温下能自发进行

(2)在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_______。

A．容器内的浓度之比为1∶3∶2

B．百分含量保持不变

C．容器内压强保持不变

D．混合气体的密度保持不变

(3)某科研小组研究：在其他条件不变的情况下，不同温度时，固定氮气的投入量，起始氢气的物质的量与平衡时氨气的百分含量关系如图：

①图像中和的关系是：_______(填“>，<或=”)。

②a、b、c、d四点所处的平衡状态中，反应物的转化率最高的是：_______。

③合成氨工业中，为提高氨气的平衡产率，除适当控制反应的温度和压强外，还可采取的措施是_______。

(4)恒温下，向一个4L的恒容密闭容器中充入和，反应过程中对的浓度进行检测

①20min后，反应达平衡，氨气的浓度为，用表示的平均反应速率为_______。且此时，混合气体的总压强为p，则该反应的化学平衡常数_______[对于气相反应，用某组分B的平衡压强代替物质的量浓度也可表示平衡常数，记作，如，p为平衡总压强，为平衡系统中B的物质的量分数]。

②若维持容器体积不变，温度不变，向原平衡体系中再加入和，再次达平衡后，氨气的浓度_______(填“大于”或“小于”或“等于”)。