Question

11．圖為工業(yè)合成氨生產簡易流程圖：

回答下列問題：
（1）合成氨所需的氮氣來源于空氣；合成氨所需的原料氣氫氣可由天然氣制備，其主要反應為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；CH₄和O₂的反應：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）．CH₄和H₂O（g）及富氧空氣（O₂含量較高，不同富氧空氣中氧氣含量不同）混合反應，產物氣體組成如表：

氣體	CO	H2	N2	O2
體積（L）	25	60	15	2.5

計算該富氧空氣中O₂和N₂的體積比V（O₂）：V（N₂）=2：3．
（2）在合成氨的原科氣中混有的雜質必須除去的原因是防止催化劑中毒；
上述流程中熱交換器的作用是熱交換器是利用合成氨和氨冷凝放出的熱量來加熱原料氣體或預熱反應混合氣．從合成塔出來的混合氣體，通常僅含有15%（體積分數(shù)）的氨．為提高原料的利用率，通常采取的措施是將N₂，H₂循環(huán)利用．
（3）合成氮為放熱反應，但工業(yè)上采用400℃-500℃的溫度，主要原因是：
①該溫度范圍內反應速率較快．②該溫度下催化劑的活性較大．
（4）氨可與CO₂反應制備尿素（CO（NH₂）₂]，反應過程分為兩步，試寫出有關的化學方程式：
①氮氣與二氧化碳在加熱加壓條件下化合生成氨基甲酸銨（H₂NCOONH₄）：2NH₃+CO₂$\stackrel{加熱加壓}{→}$H₂NCOONH₄．
②氨基甲酸銨受熱分解為尿素與水：H₂NCOONH₄$\stackrel{△}{→}$CO（NH₂）₂+H₂O．
（5）新法合成氨常采用電解法合成．即常壓下將氫氣和用氫氣稀釋的氮氣分別通入一個加熱到570℃的電解池中，氫氣和氮氣在電極上合成了氨，大大提高了氨的產率．新法合成氨所用的電解質能傳導H⁺，則陰極的電極反應式為N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)空氣中含有大量的氮氣分析；根據(jù)反應的方程式結合表中數(shù)據(jù)列方程式計算；
（2）根據(jù)合成氨在催化劑高溫高壓條件下進行，則在合成氨的原科氣中混有的雜質必須除去的原因是防止催化劑中毒；熱交換器的作用是充分利用能源，降低成本；物質的循環(huán)使用可以節(jié)約原料，提高利用率；
（3）采用400℃-500℃的溫度，根據(jù)合成氨為放熱反應，對氨的合成不利，但可考慮催化劑的活性增大反應速率；
（4）根據(jù)反應前后原子守恒書寫化學方程式；
（5）電解池的陰極發(fā)生得電子的還原反應，總反應式減去陽極電極反應式，即為陰極電極反應式．

解答 解：（1）因為空氣中含有大量的氮氣，并且成本很低，所以合成氨所需的氮氣來源于空氣；
設反應消耗的H₂O為xmol，O₂為ymol，則根據(jù)CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）和2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g），
得$\left\{\begin{array}{l}{x+2y=25}\\{3x+4y=60}\end{array}\right.$
x=10，y=7.5
V（O₂）：V（N₂）=$\frac{2.5+7.5}{15}$=2：3，
故答案為：空氣；2：3；
（2）因為合成氨的原科氣中混有的雜質可能使催化劑中毒，所以在合成氨的原科氣中混有的雜質必須除去；熱交換器的作用是利用合成氨和氨冷凝放出的熱量來加熱原料氣體或預熱反應混合氣，充分利用能源，降低成本；未反應的N₂和H₂，可以循環(huán)使用，這樣循環(huán)可以提高原料氣的利用率，
故答案為：防止催化劑中毒；熱交換器是利用合成氨和氨冷凝放出的熱量來加熱原料氣體或預熱反應混合氣；將N₂，H₂循環(huán)利用；
（3）采用400℃-500℃的溫度，根據(jù)合成氨為放熱反應，對氨的合成不利，但該溫度范圍內反應速率較快，主要考慮催化劑的活性較大，
故答案為：該溫度下催化劑的活性較大；
（4）①氮氣與二氧化碳在加熱加壓條件下化合生成氨基甲酸銨（H₂NCOONH₄），則發(fā)生的化學方程式為：2NH₃+CO₂$\stackrel{加熱加壓}{→}$H₂NCOONH₄，
故答案為：2NH₃+CO₂$\stackrel{加熱加壓}{→}$H₂NCOONH₄；
②氨基甲酸銨受熱分解為尿素與水，則發(fā)生的化學方程式為：H₂NCOONH₄$\stackrel{△}{→}$CO（NH₂）₂+H₂O，故答案為：H₂NCOONH₄$\stackrel{△}{→}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（5）總反應式為N₂+3H₂=2NH₃，陽極的電極反應為3H₂-6e^-═6H⁺，總反應式減去陽極電極反應式即為陰極電極反應式，所以陰極電極反應式為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃，
故答案為：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．

點評 本題考查學生合成氨的原理以及應用等知識，側重于學生分析能力和問題解決能力的考查，注重于化學對生活、生產的指導，難度中等．