高二化学人教版选修2规范训练：12 人工固氮技术——合

课题2 人工固氮技术——合成氨(时间：30分钟)考查点一合成氨适宜条件的选择1．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为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，似乎压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动，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 D2．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产率。

答案 C3．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 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．我国合成氨厂采用的压强是10～30 MPa，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1×107～3×107 Pa，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 B4．下列关于合成氨工业的叙述可用勒夏特列原理来解释的是()。

A．使用铁触媒，使平衡向生成NH3的方向移动B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作可提高原料的利用率解析合成氨的反应特点之一：正反应是气体体积缩小的反应。

当其他条件不变时，增大压强平衡向气体体积减小的方向移动，所以高压将有利于氨的合成，选项B符合。

答案 B5．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．③④⑤⑦B．①②⑤⑥C．②⑥D．②③⑥⑦解析合成氨反应N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)ΔH<0的特点为：正反应放热且气体体积减小。

要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。

答案 C6．合成NH3所需的H2可由煤与H2O反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH<0。

欲提高CO转化率可采用的方法可能有：①降低温度；②增大压强③使用催化剂④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是()。

A．①②③B．④⑤C．①⑤D．⑤解析该可逆反应的特点为：①正反应为放热反应；②反应前后气体体积不改变。

结合勒夏特列原理可选出答案。

答案 C7．合成氨工业中，原料气(N2、H2、混有少量CO、NH3)在进入合成塔之前，常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收CO，其反应为CH3COO[Cu(NH3)2]＋CO＋NH3CH3COO[Cu(NH3)3]·CO(正反应为放热反应)。

(1)必须除去CO的原因是_______________________________________。

(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收原料气中CO的适宜条件是____________________________________________________。

(3)吸收CO后的醋酸铜(Ⅰ)氨溶液经适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力而循环使用，其再生的条件是______________________________。

解析合成氨流程中的除杂，是为了除去能使催化剂中毒的物质，在合成氨的过程中必须除去CO，因为CO能使催化剂中毒。

从吸收CO的化学方程式可得：吸收CO的反应是正反应为气体体积缩小的放热反应，因此为了使CO尽最大可能被吸收，应采取高压、低温的办法使平衡正向移动。

要使醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液再生，即使平衡逆向移动，故必须采取低压、高温的办法。

答案(1)防止CO使催化剂中毒(2)高压、低温并于醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液中加入较浓氨水(3)低压、高温考查点二合成氨的生产过程及反应原理8．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 B9．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)，673 K、30 MPa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，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 D10．哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。

现将氢气和氮气充入某密闭容器中，在一定条件下反应的有关数据为：(1)2。

若此时已达平衡，则可求得平衡常数为__________。

(2)下图表示合成NH3反应在时间t0→t6中反应速率与反应过程曲线图，则在下列达到化学平衡的时间段中，化学平衡常数最大的一段时间是__________。

①t0→t1②t2→t3③t3→t4④t5→t6若t1时改变的条件是升高温度，则说明合成NH3反应的焓变ΔH________0(填“大于”或“小于”)。

解析(1)根据合成氨反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)和表中数据，计算得v(H2)＝1.5 mol·L－1·s－1，达到平衡时各物质的浓度分别为n(H2)＝2 mol·L－1，n(N2)＝2 mol·L－1，n(NH3)＝2 mol·L－1，即可求出平衡常数为0.25。

(2)由图可知，从t1开始是化学反应速率增大，而逆反应速率大于正反应速率，说明平衡向左移动，化学平衡常数减小；从t3开始是反应速率增大，平衡不移动，平衡常数相等；从t4开始是化学反应速率减少，而逆反应速率减小的少，大于正反应速率，平衡向左移动，平衡常数减小，故化学平衡常数最大的一段是t0～t1。

升高温度，平衡向左移动，故正向是放热反应ΔH<0。

答案(1)1.5 mol·L－1·s－10.25(2)①小于11．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)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－===2NH312．四川有丰富的天然气资源，以天然气为原料合成尿素的主要步骤如下图所示(图中某些转化步骤及生成物未列出)：请填写下列空白：(1)已知0.5 mol甲烷与0.5 mol水蒸气在t℃、p kPa时，完全反应生成一氧化碳和氢气(合成气)，吸收了a kJ热量，该反应的热化学方程式是：________________________________________________________________。

(2)在合成氨的实际生产过程中，常采取的措施之一是：将生成的氨从混合气体中及时分离出来，并将分离出氨后的氮气和氢气循环利用，同时补充氮气和氢气。