鲁科版 (2019)选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨精品练习题

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨

基础过关练

题组一　合成氨反应的限度、速率

1.可逆反应3H2(g)+N2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,达到平衡后,为了使H2的转化率增大,下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　)

A.升高温度,减小压强,增加氮气

B.降低温度,增大压强,加入催化剂

C.升高温度,增大压强,增加氮气

D.降低温度,增大压强,分离出部分氨

2.对于合成氨的反应来说,使用催化剂和施加高压,下列叙述中正确的是(　　)

A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响

B.都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡状态所用的时间

C.都能缩短反应达到平衡状态所用的时间,加压促进化学平衡正向移动

D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而加压不能

3.在合成氨时,要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有(　　)

①减小压强　②增大压强　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容,再充入N2和H2　⑥恒温恒压,再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂

A.②④⑤⑦ B.②③④⑤⑦⑧

C.②⑤ D.②③⑤⑧

4.(2019山东济南高三模拟)下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是(　　)

A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒

B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率

C.步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率

D.产品液氨除可生产化肥外,还可用作制冷剂

题组二　工业合成氨的适宜条件

5.下列有关合成氨工业的叙述,可用勒·夏特列原理来解释的是(深度解析)

A.使用铁触媒有利于合成氨

B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率

6.(2019江苏扬州中学高二下期中)诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔,表彰他在固体表面化学过程研究中作出的贡献。下列说法中正确的是(　　)

A.增大催化剂的表面积,能增大氨气的产率

B.增大催化剂的表面积,能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率

C.采用正向催化剂时,反应的活化能降低,使反应明显加快

D.工业生产中,合成氨采用的压强越高,温度越低,越有利于提高经济效益

7.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得,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,可采用的方法是(　　)

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

A.①②③　　　B.④⑤　　　C.①⑤　　　D.⑤

8.某温度下,对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A.将1 mol氮气、3 mol氢气,置于1 L密闭容器中反应,待平衡后放出的热量为92.4 kJ

B.平衡状态由A变为B时,平衡常数K(A)<K(B)

C.上述反应在达到平衡后,增大压强,H2的转化率增大

D.升高温度,平衡常数K增大

9.合成氨反应在工业生产中的大量运用,满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供了足够的原料——氨。合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH。在298 K时:ΔH=-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106 (mol·L-1)-2。

(1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大,为什么还需要使用催化剂?　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因:　         　　　。 

(3)298 K、1.01×105 Pa下,在10 L密闭容器中充入10 mol氮气、30 mol氢气和20 mol氨气,开始的瞬间,反应向　　　(填“正”或“逆”)向进行,反应进行5 min后体系能量的变化为　　　　(填“吸收”或“放出”)184.4 kJ,容器内压强变为原来的　　　　倍。 

(4)从开始至5 min时,用N2浓度变化表示该反应的平均速率:　　　　　　。 

能力提升练

题组　工业合成氨的适宜条件

1.(双选)()合成氨反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如下图。下列说法正确的是(　　)

A.t1时升高了温度 B.t2时使用了催化剂

C.t3时减小了压强 D.t4时降低了温度

2.()已知合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,当反应器中按n(N2)∶n(H2)=1∶3投料后,在不同温度下,反应达到平衡时,得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如下图所示。下列说法正确的是(　　)

A.曲线a对应的反应温度最高

B.上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)=K(Q)<K(N)

C.相同压强下,投料相同,达到平衡所需时间关系为tc>tb>ta

D.N点时c(NH3)=0.2 mol/L,则N点的c(N2)∶c(NH3)=1∶1

3.()合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径,对化学工业技术也产生了重大影响。合成氨工业中原料气N2可以从空气中分离得到,H2可由甲烷或焦炭与水蒸气反应制得。

(1)在一定容积的密闭容器中充入N2和H2两种气体合成氨,在某温度下达到平衡时,各物质的浓度分别是c(H2)=9.00 mol·L-1、c(N2)=3.00 mol·L-1、c(NH3)=4.00 mol·L-1,此温度下该反应的平衡常数K=　　　　　　。 

(2)在三个相同容器中各充入1 mol N2和3 mol H2,在不同条件下反应达到平衡,氨的体积分数随时间变化的曲线如图所示。下列说法中正确的是　　　　(填字母)。 

A.图Ⅰ可能是不同压强对反应的影响,且p2>p1

B.图Ⅱ可能是不同压强对反应的影响,且p1>p2

C.图Ⅲ可能是不同温度对反应的影响,且T1>T2

D.图Ⅱ可能是同温同压下不同催化剂对反应的影响,且催化剂性能1>2

(3)将水蒸气通过红热的C即产生水煤气,化学方程式为C(s)+H2O(g) H2(g)+CO(g)　ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1。该反应在常温(298 K)下　　　　(填“能”或“不能”)自发进行。 

4.(2020湖北荆、荆、襄、宜四地七校高二联考,)科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。

Ⅰ.合成氨的原理为:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。

(1)在恒容密闭容器中发生上述反应,下列描述中能说明该反应已达平衡状态的是　　　。 

A.容器内气体的平均摩尔质量保持不变

B.2v正(NH3)=v逆(N2)

C.容器中气体的压强保持不变

D.N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3

(2)673 K、30 MPa下,向容积为2.0 L的恒容密闭容器中充入0.80 mol N2和1.60 mol H2,反应经3分钟达到平衡,此时NH3的体积分数为20%。

①该条件下反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的平衡常数K=　　　　(精确到小数点后一位);K越大,表明反应达到平衡时　　　　。 

A.H2的转化率一定越高

B.NH3的浓度一定越大

C.正反应进行得越完全

D.化学反应速率越大

②若达平衡后再向该容器中充入0.40 mol N2和0.40 mol NH3,该平衡将　　　　　　　　　　(填“向正反应方向移动”“向逆反应方向移动”或“不移动”)。 

Ⅱ.根据“人工固氮”的最新研究报道,在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生下列反应:2N2(g)+6H2O(l) 4NH3(g)+3O2(g)　ΔH=a kJ·mol-1。进一步研究NH3生成量与温度的关系,常压下达到平衡时测得部分实验数据如表:

(1)此合成反应的a　　　0,ΔS　　　0(填“>”“<”或“=”)。 

(2)已知(K为平衡常数):N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　K1,2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)　K2,则N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+O2(g)的K= 

(用K1、K2表示)。

答案全解全析

基础过关练

1.D　要使氢气的转化率增大,需使平衡向正反应方向移动,根据合成氨反应的特点,由于正反应为放热反应,降低温度,平衡正向移动;正反应为气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;另外还可通过及时分离出部分氨,减小生成物浓度的方法,促使平衡正向移动,D项正确。

2.C　对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),催化剂能降低反应的活化能,提高反应速率,缩短反应达到平衡状态所用的时间,但不能使化学平衡发生移动。加压能提高反应速率,缩短反应达到平衡状态所用的时间,也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。

3.C　根据题目要求,既要满足增大反应速率,又要满足使化学平衡向生成NH3的方向移动。从反应速率角度分析:①④⑦三种条件下化学反应速率降低;⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析:②⑤条件下化学平衡向生成NH3的方向移动;⑧条件下化学平衡不移动。

4.C　合成氨使用含铁催化剂,为防止催化剂中毒,须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,既可以增大氮气、氢气浓度,加快合成氨反应速率,又可以使平衡向生成NH3的方向移动,提高原料转化率,B项正确;合成氨反应为放热反应,步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率,同时使用催化剂也不能使平衡移动,步骤④、⑤有利于提高原料的转化率,C项错误;产品液氨可用酸吸收生成铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量的热,还可用作制冷剂,D项正确。

5.B　催化剂不影响平衡移动;合成氨采用500 ℃是综合考虑了反应速率、转化率及催化剂的活性;采用循环操作与平衡移动无关。

拓展应用

工业合成氨反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0

6.C　增大催化剂的表面积只能改变反应速率,不能使平衡移动,所以氨气的产率不变,A项错误;增大催化剂的表面积,能加快合成氨的正反应速率和逆反应速率,B项错误;催化剂的作用是降低反应的活化能,使活化分子的百分数增大,有效碰撞次数增加,反应速率加快,C项正确;温度越低,催化剂的活性越低,反应速率越慢,不利于提高经济效益,D项错误。

7.C　增大压强,平衡不移动;增大CO浓度,平衡向右移动,但CO转化率降低;使用催化剂,平衡不移动,CO转化率不变;降低温度或增大水蒸气的浓度,平衡向右移动,CO转化率增大。

8.C　该反应为可逆反应,加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3,所以反应放出的热量小于92.4 kJ,A项错误;平衡状态由A变为B,改变的是压强,温度未发生变化,所以平衡常数不变,B项错误;该反应是反应前后气体分子数减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,H2的转化率增大,C项正确;升高温度,平衡逆向移动,K减小,D项错误。

9.答案　(1)使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率,提高单位时间内的产量

(2)在该温度下,催化剂的活性最高,反应速率较大,反应的限度虽然有所降低,但综合分析,单位时间内的产量还是最理想的

(3)正　放出　

(4)0.04 mol·L-1· min-1

解析　(3)依据Q==(mol·L-1)-2<K=4.1×106(mol·L-1)-2,反应正向进行,放出热量,由题给信息可知反应进行5 min放出184.4 kJ热量,故5 min时生成的氨气为4 mol,用三段式表示为:

　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)

起始/mol 10 30 20

转化/mol 2 6 4

5 min时/mol 8 24 24

故5 min时气体总物质的量为56 mol,容器内压强变为原来的=。(4)v(N2)==0.04 mol·L-1· min-1。

能力提升练

1.BC　t1时正反应速率增大,随后逐渐减小,说明正反应速率大于逆反应速率,平衡正向移动,应为增大压强,A项错误;t2时,平衡不移动,说明正、逆反应速率同等程度增大,应为使用了催化剂,B项正确;t3时正反应速率减小,随后逐渐增大,说明逆反应速率大于正反应速率,平衡逆向移动,为减小压强,C项正确;t4时反应速率瞬间不变,然后减小,应为减小生成物浓度,D项错误。

2.D　ΔH<0,升高温度平衡逆向移动,氨气的含量减小,而相同压强下曲线a对应NH3的体积分数最大,所以曲线a对应的反应温度最低,A项错误;K只受温度影响,温度不变平衡常数不变,所以K(M)=K(Q),正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,平衡常数减小,M点的温度低于N,所以K(M)>K(N),B项错误;相同压强下,投料相同,温度越高反应速率越快,达到平衡消耗的时间越短,曲线c、b、a表示的温度依次降低,所以达到平衡消耗的时间:ta>tb>tc,C项错误;N点时氨的物质的量的分数为20%,利用三段式,设N2的转化率是b,N2的起始浓度为a,

　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)

起始 a 3a 0

转化 ab 3ab 2ab

平衡 a-ab 3a-3ab 2ab

根据题意有=20%,2ab=0.2 mol/L,所以a=0.3 mol/L,b=,则N点的c(N2)∶c(NH3)=(0.3 mol/L-0.3 mol/L×)∶(2×0.3 mol/L×)=1∶1,D项正确。

3.答案　(1)7.32×10-3 L2·mol-2　(2)D　(3)不能

解析　(1)K=≈7.32×10-3 L2·mol-2。(2)压强越大,φ(NH3)越大,A错误;改变压强,φ(NH3)改变,B错误;温度越高,φ(NH3)越小,C错误;催化剂能增大反应速率,缩短达到平衡的时间,但平衡不移动,D正确。(3)T=298 K时,ΔH-TΔS=131.3 kJ·mol-1-298 K×0.133 7 kJ·mol-1·K-1≈91.46 kJ·mol-1>0,所以常温下该反应不能自发进行。

4.答案　Ⅰ.(1)AC　(2)①1.1(L/mol)2　C　②向逆反应方向移动

Ⅱ.(1)>　>　(2)

解析　Ⅰ.(1)该反应中所有物质均为气体,故气体的质量不变,该反应为反应前后气体体积改变的反应,由=可知,随着反应的进行,容器内气体的平均摩尔质量是变量,当容器内气体的平均摩尔质量不变时,可说明该反应达到了化学平衡,A正确;2v正(NH3)=v逆(N2)不满足物质所对应化学计量数的比,当等式成立时,该反应不处于化学平衡状态,B错误;该反应在恒容密闭容器中进行,气体物质的量之比等于其压强之比,因该反应为反应前后气体体积改变的反应,随着反应的进行,气体物质的量会发生改变,容器中气体的压强也会改变,当容器内气体的压强保持不变时,可说明该反应达到了化学平衡,C正确;因缺少相关数据,当容器内N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3时,反应不一定达到了化学平衡,D错误。

(2)①设N2反应了x mol·L-1,则

　　　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)

起始浓度(mol/L) 0.4 0.8 0

转化浓度(mol/L) x 3x 2x

平衡浓度(mol/L) 0.4-x 0.8-3x 2x

平衡时NH3的体积分数为=0.2,解得x=0.1,平衡常数K=≈1.1(L/mol)2。氢气的转化率与氮气、氢气的投入量等有关,K越大,氢气的转化率不一定越高,A错误;氨气的产率与氮气、氢气的投入量等有关,K越大,氨气的产量不一定越大,B错误;K越大,表示反应进行的程度越大,即正反应进行得越完全,C正确;K越大,表示反应进行的程度越大,但反应速率不一定越大,D错误。②平衡后再向该容器中充入0.40 mol N2和0.40 mol NH3,则瞬间c(N2)=0.5 mol/L,c(NH3)=0.4 mol/L,c(H2)=0.5 mol/L,浓度商Q==2.56 (L/mol)2>K,故平衡将向逆反应方向移动。

Ⅱ.(1)由题表中数据可知,升高温度,平衡正向移动,根据勒·夏特列原理,升高温度,平衡将向吸热反应方向移动,故该反应正向为吸热反应,a>0;该反应正向为熵增反应,故ΔS>0。

(2)①N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　K1

②2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)　K2

①-×②可得N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+O2(g),故K=。