合成氨工業生產習題的多角度設計

文章編號：1005－6629(2008)11－0070－03中圖分類號：G632.479文獻標識碼：B

隨著新課程理念的不斷深入、新課程實踐的不斷推進，高考化學試題也在不斷進行相應的變革。試題依據新教材，加大體現新課標的理念已成為命題思路之首選。縱觀2007年各地的高考化學試卷，無論是已實施新課程標準的廣東、山東、海南和寧夏四省的試卷，還是即將進入新課程標準的江蘇試卷，都呈現出穩中求進的特點，在看似平淡的表面背后，不斷地推出新的亮點同新課標一步步接軌。而實用性強是化學學科的一大特點，我國的化工企業在國民經濟中占有很大的比重，是國家的一個支柱產業，兩方面因素都使得以化工生產為知識背景的高考題倍受推崇，而此類試題多取材于《化學與技術》模塊。內容主要有：化工生產條件的選擇、原料的選取與配比、原料的轉化率或產品產率的計算及工業尾氣的處理和熱量的利用等。涉及的領域有：工業制硫酸、硝酸，合成氨、化肥的生產、鋼鐵工業等；用到中學化學的原理和知識有：化學平衡、化學反應速率、反應熱和化學計算。重點考查學生的知識利用能力、分析綜合能力，培養理論與實踐相聯系的觀點，通過真實化工生產的展現讓學生更能懂得化學的實用，激發學習化學的熱情。

1 從化工原理的角度設計試題

［試題1］根據合成氨反應的特點，結合化學反應速率和化學平衡的原理填寫下列表格，并選擇工業合成氨的適宜的條件。

［答案］通過分析可以填寫下表：

綜合各方面因素后采用如下條件：①高溫，500℃； ②高壓，20MPa～50MPa； ③催化劑，鐵觸煤。

［命題意圖］這是考查化學反應速率與化學平衡原理在合成氨工業生產中的多因素影響問題。特別是兩個因素影響不一致時如何聯系生產原理和生產實際選擇適宜條件。

2 從合成氨工業生產的流程設計試題

［試題2］下圖是合成氨工業生產的流程示意圖:

1. 工業上制取氮氣常采用分離空氣的方法，下圖是制取氮氣流程圖，請在空格內填寫適當的答案：

2. 寫出工業合成氨中利用煤水反應法制取原料氣H2的兩個化學反應方程式______，_______。

若用烴水反應法制取氫氣，第一步是先用催化劑把烴和水作用，生成一氧化碳和氫氣，寫出化學反應方程式___________。

［答案］1.

2.

［命題意圖］從工業合成氨生產的流程示意圖考查用物理方法制取氮氣，構思新穎。用煤水反應法和烴水反應法的反應原理考查化學方程式從具體到一般的書寫，符合歸納法。

3 從合成氨反應中化學平衡與反應熱相結合的角度設計試題

［試題3］已知常溫常壓下， N2(g）和H2(g)生成2mol NH3(g)放出92.4kJ熱量。在同溫同壓下向密閉容器中通入1mol N2和3mol H2，達到平衡時放出熱量為Q1，向另一體積相同的容器中通入0.5mol N2、1.5mol H2和1mol NH3，相同條件下達到平衡時放出熱量為Q2，則下列關系式正確的是

A.2Q2=Q1=92.4kJ B.2Q2＜Q1＜92.4kJ

C.Q1＜Q2＜92.4kJ D.Q2=Q1＜92.4kJ

［提示］因為1mol N2和3molH2的反應跟0.5mol N2與1.5mol H2的反應是在同溫同壓下按相同物質的量比[n(N2):n(H2)=1:3]進行的，則前者放出熱量為后者的兩倍；但若在后者中再加入1mol NH3，正反應將受到抑制，故Q1＞2Q2。因為N2和H2合成NH3的反應是可逆的：N2+3H2 2NH3，常溫常壓下原料的轉化率很低，因而將1mol N2和3mol H2混合反應肯定不能生成2mol NH3，則Q1＜92.4kJ。與備選選項對照，可知答案為B。

［命題意圖］以合成氨反應式為載體，考查可逆反應在等溫等壓條件下，平衡移動與反應熱的關系，著重考查思維的變通性和敏捷性。

4從氨工業用途角度設計試題

［試題4］工業上，用氨氣和二氧化碳合成尿素。在一定條件下，發生如下反應：

CO2(g)+2NH3(g) CO(NH2)2(s)+H2O(g)

已知焦炭、一氧化碳和烴類化合物都能與水反應產生合成尿素的原料——氫氣和二氧化碳，從充分利用原料的角度考慮，用下列物質生產H2和CO2最為合適的是

A.C B.CO

C.天然氣D.石腦油（C5H12、C6H14）Z

［提示］生產出的H2用于合成NH3，再由NH3與CO2合成尿素。由此，可找出H2與CO2關系式：3H2～2NH3～CO2。分別寫出備選項中各物質與H2O反應的化學方程式

①C+H2O=H2+CO，CO+H2O=H2+CO2，

即C+2H2O=2H2+CO2

②CO+H2O=H2+CO2

③CH4+2H2O=4H2+CO2

④C5H12+10H2O=16H2+5CO2，C6H14+12H2O=19H2+6CO2

產物中， n(H2):n(CO2)最接近3:1的最合適。所以答案選D。

［命題意圖］本題借用氨氣的工業用途，著重考查多步反應中量的關系的歸納與近似數值的處理。回答這個問題，學生要有思維的轉換能力。

5從化學平衡的定量關系設計計算試題

［試題5］合成氨反應中，若合成塔進口時N2、H2、NH3的體積之比為5:15:3。出口時N2、H2、NH3的體積之比為9:27:8，則N2的轉化率為（）

A.10%B.20%C.30% D.40%

［提示］欲求N2的轉化率，需知道N2的起始量（進口量）和轉化量（變化量）。題中未直接給出N2的起始量，卻給出了進口時N2、H2、NH3的體積之比，可據此進行假設。

設進口時N2、H2、NH3的物質的量分別為5mol、15mol和3mol，至出口時有xmol N2轉化成NH3。

N2+ 3H2 2NH3

進口量（mol）5153

進口量（mol）x3x2x

進口量（mol） 5-x15-3x3+2x

依題意可得：（5-x）：(3+2x）=9：8，x=0.5mol。

故N2的轉化率為10%，答案選A。

［命題意圖］以合成氨反應為載體，以連比的方式考查化學平衡中反應物的轉化率，此題突破了常規的命題方式。

6從圖像的形式結合數學知識設計試題

［試題6］在容積不同的密閉容器中，分別充入1.0mol N2和3.0mol H2，在不同溫度下，任其發生反應生成NH3，分別在不同時間測定NH3的含量，然后繪制出下圖。試回答下列問題：

（1）A、B、C、D、E五點中，尚未達到平衡狀態的是______________。

（2）此可逆反應的正反應是_____反應（填“放熱”或“吸熱”）。

（3）AC段的曲線是增函數，CE段曲線是減函數，試從反應速率和化學平衡的角度說明理由：_________________________。

［答案］（1）AB；（2）放熱；（3）AC段曲線為增函數，原因是開始充入的物質是N2和H2，未達到化學平衡狀態，故φ（NH3）不斷增大。C點達平衡后，隨著溫度升高平衡向逆反應方向移動，φ（NH3）含量減少，故CE段為減函數。

［命題意圖］由化學反應式引入圖像，考查學生的觀察能力，引入數學中函數的單調性，考查數學知識在化學平衡中的應用。

7從綜合創新角度設計試題

［試題7］利用天然氣合成氨的工藝流程示意圖如下：

依據上述流程，完成下列填空：

(1)天然氣脫硫時的化學方程式是_________。

(2)nmol CH4經一次轉化后產生CO 0.9mol，產生H2_________mol(用含n的代數式表示)。

(3)K2CO3(aq)和CO2反應在加壓下進行，加壓的理論依據是_________。

(a)相似相溶原理 (b)勒沙特列原理

(c)酸堿中和原理

(4)整個流程有三處循環：一是Fe(OH)3 循環，二是K2CO3(aq)循環，請在流程圖中標出第三處循環（指出循環方向和循環物質）

［答案］(1)3H2S+2Fe(OH)3Fe2S3+6H2O

(2)2.7n

(3)b

(4)如右圖

［命題意圖］本題的背景材料是“天然氣合成氨”，雖然流程較長(脫硫→轉化→換氣→吸收→合成)，但脈絡清晰，關系明了，聯系化學反應的可逆性，從反應熱、化學平衡計算、化工原理、實際應用等角度進行命題，同時注意考查了觀察能力，實驗能力，用數學問題解決實際問題的思維能力等對基礎知識的應變能力，拓展了合成氨的思維空間，是綜合性和區分度較好的試題。

8 高考合成氨試題賞析

［試題8］（07全國山東卷）某化工廠為了綜合利用生產過程中的副產品CaSO4， 與相鄰的合成氨廠聯合設計了以下制備(NH4)2SO4的工藝流程：

請回答以下問題：

(1)合成氨反應的化學方程式是___________，該反應是在_______(填設備名稱)中發生。沉淀池中發生的主要反應方程式是_________，該反應能夠發生的原因_______________。

(2)在上述流程的沉淀池中通入足量氨氣的目的是___________________，可以循環使用的X是______________________________________。

(3)該生產過程中的副產品是____________。從綠色化學和資源綜合利用的角度說明上述流程的主要優點是___________；從物質的性質和工業生產實際的角度考慮該流程的主要缺陷是_________。

［試題評析］本題設計的特征：一是試題表達簡潔、清晰，流程圖提示有利于學生形成解題思路；二是三個問題間基本不關聯，故前面的錯誤不會引起后面連鎖失分，有利于真實考查學生的水平；三是三個問題由易到難，具有較好的階梯性。這里所說的階梯性是指試題題材具有由初級知識水平到高級知識水平之間的過渡，較低能力要求與較高能力要求的過渡。試題設計這樣兩個梯度，有利于提高區分度，有利于測量學生知識和能力層次。

由此可見，化工生產試題可以培養學生審題、解析流程圖、提取和加工信息等能力，知識的落點在于某一工藝步驟中用到哪些物質及其應用知識、化學反應原理、基本實驗操作，能力的落點除上述之外還有工業生產中要考慮的基本問題、綠色化學思想以及對已經提供的方案和工藝進行簡單的比較和評價等。

總之，隨著新課程實施的不斷深入，高考化學命題將會進一步與高中化學新課程改革接軌，我們應當積極主動研究高考試題的命題發展趨勢，把握其命題的特點，在平時的復習中多加訓練，以提高對各種新題型的適應能力。

參考文獻：

[1]林長春.論高中化學新教材實施科學方法教育的幾個問題[J].課程·教材·教法，2003，（8）：57-62.

[2]王后雄.新課程視野下高考化學命題設計的發展與創新[J].化學教育.2008.3

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