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课题2 人工固氮技术——合成氨
课后达标检测
将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮，下图中能实现人工固氮的是( )
解析：选D。A错，因为闪电作用下的固氮是自然固氮。B错，因为与固氮风马牛不相及。C错，因为它属于自然固氮。D对，因为合成氨只能靠人工完成。
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：选A。设混合气体为100 L，反应掉N2的体积为x L。
N2 ＋ 3H2 2NH3
开始(L) 22 78 0
平衡(L) 22－x 78－3x 2x
由题意：×100%＝95%
解得x＝2.5
α(N2)＝×100%＝11.4%。
实验室合成氨装置如下图所示，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：选B。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。
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：选D。合成氨工业上采用循环压缩，将N2、H2压缩到合成塔中，提高了N2、H2的利用率。
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D。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，故选项A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点的值要大，故选项D正确。
在3H2＋N22NH3反应中，使用催化剂的理由是( )
A．使平衡向正反应方向移动
B．没有催化剂该反应不能发生
C．使化学反应速率增大
D．遏止逆反应的发生
解析：选C。催化剂的作用是加快化学反应速率。
工业合成氨的反应是在500 ℃左右进行，主要原因是( )
A．500 ℃时反应速率最快
B．500 ℃时的平衡浓度最大
C．500 ℃时的转化率最高
D．500 ℃催化剂能发挥最大效力
解析：选D。温度控制在500 ℃时，催化剂的催化效果最好。
某温度时，在一体积为2 L的密闭容器中，通入112 g N2和24 g的H2，此时容器内压强为p大气压。在该温度和催化剂作用下，H2和N2反应达到平衡，测得平衡时压强为0.95p大气压，下列说法不正确的是( )
A．平衡时，N2物质的量是3.6 mol
B．平衡时，H2的物质的量是10.8 mol
C．平衡时，N2的转化率是10%
D．NH3的体积百分含量是10%
解析：选D。充入的气体的物质的量分别为：
n(N2)＝＝4 mol n(H2)＝＝12 mol
由压强的变化可知平衡后的气体的物质的量为：
＝
n(总)＝15.2 mol
N2 ＋ 3H2 2NH3
初： 4 mol 12 mol 0
变： x 3x 2x
平： 4 mol－x 12 mol－3x 2x
4 mol－x＋12 mol－3x＋2x＝15.2 mol
x＝0.4 mol
故平衡时N2的物质的量是3.6 mol，H2的物质的量为10.8 mol。N2的转化率为：α(N2)＝×100%＝10%
NH3的百分含量为：×100%＝5.3%。
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转化率可采用的方法有：①降低温度；②增加压强；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．只有⑤
解析：选B。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；但若增加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的操作只能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，而与平衡时CO的转化率无关。
农作物生长发育需要大量的氮养分，除了可用人工固氮方法(合成氨)获得铵态氮外，自然界雷电现象也是一种固氮途径，经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式)，写出氮气转化为硝酸的化学方程式____________，____________，____________。
解析：电闪雷鸣的雨天，会产生放电现象，使空气中的氮气和氧气反应生成一氧化氮，一氧化氮又被氧气氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中与水反应生成硝酸。
答案：N2＋O22NO 2NO＋O2===2NO2 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)。
请回答下列问题：
(1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是__________。实际生产中采取的措施是________________________________。
(2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是________________________；
而合成SO3的过程中，则不需要分离出SO3，原因是
________________________________________________________________________。
解析：工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的，原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行的程度已经很大，采用高压虽能使平衡向生成SO3的方向移动，但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求，综合生产成本和经济效益两方面因素，实际生产时，在常压下进行最合理。
答案：(1)适当温度、高压、催化剂 合成氨：适当温度、高压、催化剂；合成SO3：适当温度、常压、催化剂
(2)减小生成物的浓度，使平衡向生成NH3的方向移动 该反应向生成SO3的方向进行的程度较大，达到平衡后SO2剩余量较少，故不需要分离SO3
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