高中化学 空气资源 氨的合成综合检测 鲁科版选修2(1)

主题1 空气资源氨的合成
(时间：60分钟分值：100分)
一、选择题(本题包括12小题，每小题5分，共60分)
1．工业上用氢气和氮气合成氨，氢气的主要来源是( )
A．水和燃料B．电解水
C．锌和稀硫酸反应D．液化空气
【解析】B、C项生产H2成本太高，不符合实际；D项液化空气得N2；A项正确。

【答案】 A
2．合成氨工业有下列生产流程，其先后顺序为( )
①原料气制备②氨的合成③原料气净化和压缩④氨的分离
A．①②③④ B．①③②④
C．④③②① D．②③④①
【解析】合成氨工业流程顺序：原料气制备→原料气净化和压缩→氨的合成→氨的分离。

【答案】 B
3．加压法吸收NO2主要因为3NO2＋H2O2HNO3＋NO的反应是( )
A．可逆反应B．放热反应
C．氧化还原反应D．气体总体积缩小的反应
【解析】3NO2＋H2O2HNO3＋NO是气体总体积缩小的反应，加压使平衡正向移动，增大NO2的转化率。

【答案】 D
4．硝酸工业中氧化炉中发生的化学反应是( )
A．3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
B．2NO＋O2===2NO2
高温
C．4NH3＋5O2=====
4NO＋6H2O
催化剂
D．Na2CO3＋2NO2===NaNO3＋NaNO2＋CO2
【解析】氧化炉中发生的主要反应是NH3的催化氧化。

【答案】 C
5．下列有关浓硝酸的叙述中，错误的是( )
A．是无色液体，但常因含少量的Fe3＋而呈黄色
B．锌与硝酸反应不能制得氢气
C．可溶解绝大部分金属，却可放在铁制容器中
D．是具有不稳定性的挥发性的强酸
【解析】依据硝酸的物理性质和化学性质。

浓硝酸通常呈黄色是由于NO2溶于硝酸中的原因；硝酸能和绝大多数金属反应，但被还原的元素是氮而不是氢，冷的浓硝酸能使铁、铝钝化，铁制容器或铝制容器可用于盛放浓硝酸。

【答案】 A
6．合成氨所用的H2可由煤与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＜0，欲提高CO的转化率可采用的方法有：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．①②③④⑤ B．①⑤
C．①④⑤ D．⑤
【解析】该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高CO的转化率，可设法使化学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求；增加水蒸气的浓度，平衡向正反应方向移动，CO的转化率也可以增大；若增加CO的浓度，平衡虽然向右移动，但CO 的总量增大，其转化率反而减小。

增大压强和使用催化剂只能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，而与平衡时CO的转化率无关。

【答案】 B
7．实验室合成氨装置如图所示，则以下说法中错误的是( )
A．装置甲的作用之一是干燥
B．装置甲的作用是化合
C．乙处导出的气体是N2、H2、NH3
D．检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等
【解析】装置甲的作用有三点：①干燥气体；②观察气体逸出速率便于控制比例；③使气体混合均匀。

【答案】 B
8．进行氨的催化氧化实验时，铂丝不能接触氨水是因为( )
A．铂丝的温度高，接触氨水会使氨气大量蒸发
B．红热的铂丝将会和氨发生反应，使铂丝腐蚀
C．防止铂丝温度降低，不起催化作用
D ．防止爆炸
【解析】 氨的催化氧化是在催化剂存在的条件下加热，而铂丝很细，本来蓄热就少，若再与液体接触，温度降低，即使有催化剂存在也不发生反应。

【答案】 C
9．某工厂用CaSO 4、NH 3、H 2O 、CO 2制备(NH 4)2SO 4，其工艺流程如下图所示，下列推断不合理的是( )
A ．设计工艺流程时也可以先通入CO 2后通入NH 3
B ．生成1 mol (NH 4)2SO 4至少消耗2 mol NH 3
C ．CO 2可被循环使用
D ．往甲中通入CO 2有利于(NH 4)2SO 4生成
【解析】 由元素守恒可判断B 项正确；从流程图中可看出，反应过程中需用CO 2，而CaCO 3煅烧过程中产生CO 2，因此CO 2可循环使用，C 项正确；甲中含有足量的NH 3，通入CO 2，生成CaCO 3，有利于生成(NH 4)2SO 4，D 项正确；CO 2在CaSO 4悬浊液中溶解度很小，故不能先通入CO 2，A 项错误。

【答案】 A
10．在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%，氢气的体积占78%，经合成反应达到平衡后，在相同温度和压强下，气体体积缩小至原体积的95%，氮气的转化率接近于( )
A ．11.5%
B ．10.5%
C ．9.75%
D ．13.2%
【解析】 设混合气体的体积为100 L ，反应掉N 2的体积为x 。

N 2 ＋ 3H 2 2NH 3
开始 22 L 78 L 0
平衡 22 L －x 78 L －3x 2x 由题意：22 L －x ＋78 L －3x ＋2x 22 L ＋78 L
＝95% 解得x ＝2.5 L
α(N 2)＝2.5 L 22 L
×100%＝11.4%。

【答案】 A
11．在相同温度下，有相同体积的甲、乙两容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2。

下列叙述中，错误的是( )
A．化学反应速率：乙>甲
B．平衡后N2的浓度：乙>甲
C．H2的转化率：乙>甲
D．平衡混合气中H2的体积分数：乙>甲
【解析】乙容器中反应物浓度大，反应速率快；假设开始时乙的容器体积是甲的两倍，则甲与乙达到相同平衡，再将乙容器体积压缩至与甲相等，在此过程中平衡向正反应方向移动，即N2、H2的转化率增大，体积分数减小；因为压缩时乙中各物质浓度是甲中的二倍，平衡移动虽然使N2、H2浓度减小，但仍比甲大。

【答案】 D
12．在一定温度、压强下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%。

若反应前后的温度、压强保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是( )
A．1∶5B．1∶4
C．1∶3 D．1∶2
【解析】同温、同压下，气体的体积之比等于气体的物质的量之比。

设平衡时混合气体的物质的量为100 mol，则NH3为25 mol，N2和H2的物质的量之和为75 mol，根据反应方程式可知，生成25 mol NH3，气体的总物质的量减小25 mol，所以反应前气体的总物质的量为125 mol，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是1∶5。

【答案】 A
二、非选择题(本题包括4小题，共40分)
高温、高压13．(10分)工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：N2(g)＋3H2(g)
催化剂
2NH3(g)。

其部分工艺流程如下：
请回答下列问题：
(1)第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是___________。

(2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是________，第③步操作中的目的是________。

(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨分离出来。

这种分离物质的方法的原理类似于下列哪种方法？________(填编号)。

A．过滤B．蒸馏
C．分液D．萃取
你作出这个判断的理由是____________________________。

(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。

该反应的化学方程式为______________________。

【解析】(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，所以为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。

(3)降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以跟蒸馏类似，都是通过改变温度，使物质的状态发生变化而分离。

(4)2NH3＋3Cl2===N2＋6HCl，生成的HCl又与NH3反应生成NH4Cl小颗粒，产生白烟。

【答案】(1)500 ℃、20～50 MPa
(2)防止催化剂中毒提高原料利用率(或提高经济效益等)
(3)B 通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的
(4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2
14．(10分)(2013·青岛高二质检)以天然气、焦炭、水、空气为初始原料，可以制得若干化工产品：
请回答下列问题：
(1)合成氨中原料气体N2来源于空气，可采用将空气________和________等方法，H2可采用上述反应①，其化学方程式为__________________________。

高温、高压
2NH3ΔH＜0，其中N2与H2体积比高于1∶3的原因
(2)对于合成氨N2＋3H2
催化剂
是__________________；及时分离NH3的方法是____________。

(3)制取NH4NO3时，NH3的用途有两种，制HNO3的量大于与HNO3反应的量的原因是___________________________________________。

(4)反应⑤的化学方程式为_______________________________。

(5)发生反应③生成C8H18的化学方程式为___________________________。

【解析】(1)由空气中获得N2，去掉O2，可采用深冷分离空气或变压吸附或膜分离等
方法。

制取H 2的反应①为CH 4＋2H 2O =====催化剂
高温
CO 2＋4H 2；
(2)由于原料气H 2的制取比N 2成本高，为了使H 2的转化率提高，可提高N 2的加入量，故N 2与H 2体积比高于1∶3；及时分离NH 3，使化学平衡向右进行，可以使NH 3冷却液化分离；
(3)由于NH 3转化为HNO 3的过程中发生了反应：3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO 及各步反应有损失，一般应为制HNO 3时NH 3用量较大；
(4)根据反应条件信息及元素守恒，反应⑤应为：
CO 2＋2NH 3=====一定条件
CO(NH 2)2＋H 2O ；
(5)根据反应条件信息及元素守恒，反应⑤应为：
8CO ＋17H 2=====Co
443 K ～473 K
C 8H 18＋8H 2O 。

【答案】 (1)深冷分离 变压吸附
CH 4＋2H 2O =====催化剂
高温
CO 2＋4H 2
(2)制H 2成本高于制N 2，为了提高H 2的转化率，可以提高N 2的加入量 冷却使NH 3液化
(3)由于NH 3转化为HNO 3的过程中，发生3NO 2＋H 2O===2HNO 3＋NO 及各步反应有损失，制HNO 3的NH 3用量应较大
(4)CO 2＋2NH 3=====一定条件
CO(NH 2)2＋H 2O
(5)8CO ＋17H 2=====Co
443 K ～473 K
C 8H 18＋8H 2O
15．(10分)某硝酸厂附近的空气主要污染物为氮的氧化物。

为了保护环境和综合利用，可采用氨－碱两级吸收法。

此法兼有碱吸收和氨吸收两方法的优点，其吸收工艺流程如下：
(1)排空物质的主要成分为__________________。

(2)进入吸收塔以前加一个缓冲器的目的是__________________。

(3)从吸收塔排出的混合液用途之一为________________________。

空气的主要污染物为硫的氧化物和氮的氧化物。

研究人员设计了同时净化废气中二氧化硫和氮的氧化物的方法，将其转化为硫酸和硝酸，工艺流程如下：
各室中发生的反应如下：
a．氧化室：NO2(g)＋SO2(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)＋NO(g) ΔH＝a kJ·mol－1
b．消除室：NO(g)＋NO2(g)===N2O3(g)
ΔH＝b kJ·mol－1
N2O3(g)＋2H2SO4(l)===2NOHSO4(s)＋H2O(l)
ΔH＝c kJ·mol－1
c．分解室：4NOHSO4(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4H2SO4(l)＋4NO2(g) ΔH＝d kJ·mol－1回答下列问题：
(4)①和②分别为(写化学式)________、________。

(5)写出SO2、O2和H2O反应生成H2SO4的热化学方程式：
_________________________。

【解析】在第一个流程图中，液氨经缓冲器后汽化，与含有N2、O2、NO x的空气混合，部分NH3与NO x反应，将N2、O2排空而NH3、NO x用碱液吸收生成亚硝酸盐和硝酸盐，其中铵盐可作肥料，NaNO2可作建筑中水泥掺加剂、食品防腐着色剂等。

在第二个流程图中，SO2与NO2在氧化室中反应，由分解室循环过来的①为NO2，NO与NO2在消除室内化合，再被H2SO4转化，由分解室补充过来的②为H2SO4。

净化含SO2和NO x(NO、NO2)的废气，得到了硫酸和硝酸。

最后一问，要得出SO2、O2、H2O反应生成H2SO4的热化学方程式，要消去NO2、NO、N2O3、NOHSO4等物质。

将题中4个反应由上至下编为①、②、③、④，由(①＋②＋③)×2＋④得：2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(l)===2H2SO4(l) ΔH＝(2a＋2b＋2c＋d)kJ·mol－1。

【答案】(1)N2、O2(只填N2也算对)
(2)使氨气和大气充分混合
(3)作肥料(其他合理答案也可)
(4)NO2H2SO4
(5)2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(l)===2H2SO4(l)
ΔH＝(2a＋2b＋2c＋d)kJ·mol－1
16．(10分)以天然气为原料合成尿素的主要步骤如图所示(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 °C、p kPa 时，完全反应生成一氧化碳和氢气(合成气)，吸收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。

请运用化学反应速率和化学平衡的观点说明采取该措施的理由：____________________________。

(3)当甲烷合成氨气的转化率为75%时，以 5.60×107
L 甲烷为原料能够合成____________L 氨气。

(假设体积均在标准状况下测定) (4)已知尿素的结构简式为
，请写出两种含有碳氧双键的尿素的同分
异构体的结构简式： ①_______________________________________________；
②_____________________________________________。

【解析】 (1)因0.5 mol 甲烷与0.5 mol 水蒸气完全反应生成一氧化碳和H 2吸收了a kJ 热量，则1 mol 甲烷与1 mol 水蒸气反应需吸收2a kJ 的热量，所以该反应的热化学方程式
为CH 4(g)＋H 2O(g)=====t °C、p kPa
CO(g)＋3H 2(g) ΔH ＝2a kJ·mol －1。

(2)N 2与H 2合成NH 3的反应(N 2＋3H 2高温、高压
催化剂
2NH 3)是一个可逆反应，在该反应中，补充
氮气和氢气有利于增大反应速率，分离氨和补充氮气与氢气都有利于平衡正向移动，同时循环利用可以节约原料。

(3)由CH 4＋2H 2O(g)===CO 2＋4H 2的方程式和合成氨的方程式可以推出关系如下：CH 4～4H 2～83NH 3，由此关系式可以求得V (NH 3)＝5.60 L×107×75%×83
＝1.12×108 L 。

(4)因所写同分异构体需含有碳氧双键，根据价键理论结合尿素的结构简式很容易写出其同分异构体为。

【答案】 (1)CH 4(g)＋H 2O(g)=====t °C、p kPa
CO(g)＋3H 2(g) ΔH ＝2a kJ·mol －1
(2)增大氮气和氢气的浓度有利于增大反应速率；减小氨气的浓度，增大氮气和氢气的浓度均有利于平衡向正反应方向移动
(3)1.12×108。