高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控课后练习题

第二章　第四节

A　级·基础达标练

一、选择题

1．在某恒容密闭容器内，N2、H2的起始物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始反应，在相同条件下欲使平衡时各组分的百分含量相同，则应加入的NH3的物质的量及NH3的转化率为(　C　)

A．15 mol,25%　　　　 B．20 mol,50%

C．20 mol,75%  D．40 mol,80%

解析：从N2、H2开始反应时，N2的物质的量为10 mol，H2的物质的量为30 mol，若从NH3开始反应，并且平衡时各组分的百分含量与前者相同，则NH3的物质的量必须是20 mol，故A、D项错误。设从NH3开始反应时，NH3转化的物质的量为x，则有20 mol－x＝2×10 mol×25%，解得x＝15 mol，故NH3的转化率为×100%＝75%。

2．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　C　)

①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂

A．②④⑤⑥⑦  B．②③④⑤⑦⑧

C．只有②⑤  D．①②③⑤⑧

解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②④⑤⑦使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑥⑧不影响化学平衡，①③使化学平衡向左移动。

3．合成氨反应通常控制在10 MPa～30 MPa的压强和400～500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：

而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明(　D　)

A．表中所测数据有明显误差 B．生产条件控制不当

C．氨的分解速率大于预测值 D．合成塔中的反应并未达到平衡

解析：这说明实际合成氨工业中需要考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。

二、非选择题

4.2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·mol－1，在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)

化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；

表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH

脱附：NH===NH3(g)

其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答：

(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有__AD__。

A．低温  B．高温

C．低压  D．高压

E．催化剂

(2)实际生产中，常用Fe作催化剂，控制温度773 K，压强3.0×107Pa，原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由__原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率__；__N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率__。

(3)关于合成氨工艺的下列理解，正确的是__ACD__。

A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零

B．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率

C．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行

D．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生

解析：(1)N2(g)＋H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·mol－1是气体体积减小的放热反应。低温有利于平衡正向进行，提高氨气产率，故A正确；高温平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故B错误；低压平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故C错误；高压平衡正向进行，利于提高氨气产率，故D正确；催化剂只改变反应速率，不改变化学平衡，不能提高氨气产率，故E错误。

(2)原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8，原料气中N2过量的两个理由：原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。

(3)N2(g)＋H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·mol－1是气体体积减小的放热反应，合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零，故A正确；当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，总压不变，分压减小，平衡逆向移动，不能提高平衡转化率，故B错误；NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行，故C正确；合成氨的反应在合成塔中发生，原料气中的N2是从空气中分离得来，先将空气液化，再蒸馏得N2，甲烷与水在高温、催化剂条件下生成CO和H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，故D正确。

5．二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”。由合成气制备二甲醚的主要原理如下：

①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH1＝－111 kJ·mol－1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－23.5 kJ·mol－1

③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH3＝－41.2 kJ·mol－1

回答下列问题：

(1)则反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝__－286.7__kJ·mol－1。

(2)下列措施中，能提高CH3OCH3产率的有__AC__。

A．使用过量的CO

B．升高温度

C．增大压强

(3)反应③能提高CH3OCH3的产率，原因是__消耗了反应②生成的H2O(g)，有利于反应②正向进行，同时生成了H2有利于反应①正向移动__。

(4)将合成气以＝2通入1 L的反应器中，一定条件下发生反应：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，其CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图1所示，下列说法正确的是__A__。

A．ΔH＜0

B．p1＜p2＜p3

C．若在p3和316 ℃时，起始时＝3，则达到平衡时，CO转化率小于50 %

(5)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu－Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚。观察图2回答问题。催化剂中约为__2__时最有利于二甲醚的合成。

(6)甲醇液相脱水法制二甲醚的原理是CH3OH＋H2SO4===CH3HSO4＋H2O，CH3HSO4＋CH3OH===CH3OCH3＋H2SO4。与合成气制备二甲醚比较，该工艺的优点是反应温度低、转化率高，其缺点是__H2SO4腐蚀设备或有硫酸废液产生__。

解析：(1)根据盖斯定律，①×2＋②＋③得3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)　ΔH＝－286.7 kJ·mol－1。

(2)增大反应物的浓度平衡正移，所以使用过量的CO，能提高CH3OCH3产率，故A正确；该反应为放热反应，升高温度平衡逆移，则CH3OCH3产率会降低，故B错误；该反应正方向为气体体积减小的方向，所以增大压强平衡正移，能提高CH3OCH3产率，故C正确。

(3)已知反应③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，能消耗水，使反应②中平衡正向移动，所以CH3OCH3的量增加；同时此反应生成了H2，有利于反应①正向移动。

(4)由图可知随温度升高，CO的转化率降低，说明升高温度平衡逆移，则正方向为放热反应，故ΔH＜0，故A正确；该反应正方向为气体体积减小的方向，增大压强CO的转化率增大，所以p1＞p2＞p3，故B错误；若在p3和316 ℃时，起始时＝3，则增大了氢气的量，增大氢气的浓度，平衡正移，CO的转化率增大，所以CO转化率大于50%，故C错误。

(5)由图可知当催化剂中约为2时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。

(6)该反应有硫酸参加，因为硫酸是强酸，具有较强的腐蚀性，能腐蚀设备。

B　级·能力提升练

一、不定项选择题(每小题有1个或2个选项符合题意)

1．一定条件下，通过下列反应可实现燃煤烟气中的硫的回收：SO2(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋S(l)　ΔH＜0。一定温度下，在容积为2 L的恒容密闭容器中1 mol SO2和n mol CO发生反应，5 min后达到平衡，生成2a mol CO2。下列说法正确的是(　AB　)

A．反应前2 min的平均速率v(SO2)＞0.1a mol·L－1·min－1

B．当混合气体的物质的量不再改变时，反应达到平衡状态

C．平衡后保持其他条件不变，从容器中分离出部分硫，平衡向正反应方向移动

D．平衡后保持其他条件不变，升高温度和加入催化剂，SO2的转化率均增大

解析：根据化学方程式可知，生成2a mol CO2的同时，消耗a mol SO2，其浓度是0.5a mol·L－1，所以反应前5 min的平均速率v(SO2)＝0.5a mol·L－1÷5 min＝0.1a mol·L－1·min－1，故前2 min的平均速率v(SO2)大于0.1a mol·L－1·min－1，A正确；根据化学方程式可知，该反应是反应前后气体的物质的量减小的可逆反应，因此当混合气体的物质的量不再改变时，可以说明反应达到平衡状态，B正确；S是液体，改变液体的量，平衡不移动，C不正确；该反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，SO2的转化率降低，催化剂不能改变平衡状态，SO2转化率不变，D不正确。

2．在反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0的平衡体系中，当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时，下列说法正确的是(　CD　)

A．t1时刻后的速率变化如图所示 B．t1时刻后达到新平衡前Q＞K

C．新平衡体系中NH3的含量减小 D．N2的平衡转化率增大

解析：分离出NH3，使体系中NH3的含量减小，则达到新平衡前Q＜K，v(正)＞v(逆)，平衡向正反应方向移动，故N2的平衡转化率增大。

3．对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在一密闭容器中加入一定量的N2和H2，达到平衡时混合气体的压强为p1，迅速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2，一段时间后达到新的平衡，此时混合气体的压强为p3，则p1、p2、p3的大小关系是(　B　)

A．p2＞p1＞p3  B．p2＞p3＞p1

C．p2＞p1＞p3  D．p2＞p1＝p3

解析：根据勒夏特列原理，改变某一外界条件时，平衡只能向减弱这种改变的方向移动。

4．相同温度下，有体积相同的甲、乙两个恒容密闭容器，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，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是(　CD　)

A．化学反应速率：乙＞甲

B．平衡后N2的浓度：乙＞甲

C．H2的平衡转化率：甲＞乙

D．平衡后混合气体中H2的体积分数：乙＞甲

解析：因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，反应物浓度越大，反应速率越快，故A项正确；假设开始时乙容器的体积也是甲的2倍(如图所示)，则此时甲、乙两容器中达到的平衡是等效平衡。再将乙容器的体积压缩至与甲相等(如下图中丙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项、D项错误；此时，丙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但丙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，丙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，B项正确。

二、非选择题

5．甲醇是一种重要的有机化工原料，需求量巨大。我国独创的联醇工艺的核心是采用一氧化碳加氢中压合成法，主要反应如下：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1

另有副反应：4CO＋2H2O===3CO2＋CH4等；中压法操作：压力为10～15 MPa，温度控制在513～543 K，所用催化剂是CuO－ZnO－Al2O3。合成甲醇的流程如图所示：

请回答：

(1)实际生产中CO不能过量，以免生成羰基铁使催化剂失去活性，而氢气过量是有益的，指出两点理由：__既可以防止或减少副反应发生，又可带走反应热避免催化剂过热而中毒__。

(2)采取10～15 MPa压力的作用是__加压有利于提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力__；温度控制在513～543 K的原因是__此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大__。

(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，该反应的化学方程式为__H2S＋CaO===CaS＋H2O__。

(4)若CO的转化率为80%，当有22.4 m3(标准状况)CO与过量H2充分反应(不计其他副反应)，可制得纯度为96%的甲醇的质量为__26.67__kg，同时获得热量__8.88×104__kJ。

解析：(1)氢气过量提高一氧化碳的转化率，防止副反应发生，大量的气流又可带走反应热量。

(2)CO(g)＋2H2 (g)===CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1，正反应是气体体积缩小的反应，增大压强虽然有利于平衡正向移动，提高甲醇的产量，提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力；正反应是放热反应，从有利于甲醇生成的角度考虑应是低温，但温度过低达不到催化剂的活性，所以此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大。

(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，生成硫化钙和水，所以反应的化学方程式为H2S＋CaO===CaS＋H2O。

(4)根据CO(g)＋2H2 (g)CH3OH(g)得1 mol的一氧化碳生成32×10－3 kg的甲醇，22.4 m3(标准状况)的物质的量为＝103 mol，所以可制得纯度为96%的甲醇的质量为≈26.67 kg，根据CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1，1 mol CO完全反应放出111 kJ的热量，103 mol×80%＝800 mol，所以放出热量为111×800＝8.88×104(kJ)。

6．合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。

(1)X的化学式为__NH3__。

(2)图中条件选定的主要原因是__BC__(填字母编号)。

A．温度、压强对化学平衡的影响

B．铁触媒在该温度时活性大

C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制

(3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是__c__，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是__a__(填字母编号)。

解析：(1)原料气N2和H2在一定条件下反应生成的NH3冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2和H2进行循环利用。

(2)温度选择在400～500 ℃并不是从对化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在500 ℃左右时活性最大，而且还可以适当提高化学反应速率；压强选择10 MPa～30 MPa主要是从化学平衡理论分析的，压强增大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。

(3)考查压强、温度对化学平衡的影响。