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

第四节　化学反应的调控

基础过关练

题组一　合成氨条件的选择

1.(2021山东六校阶段性联考)下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)

A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行

B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成

C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最高

D.N2的量越多,H2的转化率越大,因此,充入的N2越多越有利于NH3的合成

2.(2020福建三明期中)工业合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,一般采用700 K左右的温度,其原因是(　　)

①提高H2的平衡转化率　②适当提高氨的合成速率　③提高氨的产率　④催化剂在700 K左右时活性最大

A.只有①　　　B.②④

C.②③④　　　D.①②

3.(2022广东广州六校联考)下图所示为工业合成氨的流程图。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”既可以提高原料的平衡转化率,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.产品液氨除可用来生产化肥外,还可用作制冷剂

4.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:该反应的ΔH=-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106。

(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合成氨选择400~500 ℃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“正反应”或“逆反应”)方向进行,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:v(N2)=　　　　　　。 

题组二　化学反应的调控

5.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g)M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)

A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成

B.若物质B廉价易得,工业上一般采用加入过量的B的方式来提高A和B的转化率

C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高

D.工业生产中使用催化剂可提高M的日产量

6.目前工业上利用甲烷催化裂解生产不含一氧化碳和二氧化碳的清洁氢气。该过程多用铁、钴和镍等过渡金属纳米催化剂:CH4(g) C(s)+2H2(g),已知温度升高,甲烷的平衡转化率增大。下列有关说法不正确的是(　　)

A.甲烷裂解属于吸热反应

B.在反应体系中加催化剂,反应速率增大

C.增大体系压强,不能提高甲烷的转化率

D.在1 500 ℃以上时,甲烷的转化率很高,但几乎得不到C,是因为该反应为放热反应

7.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程,其中关键步骤是SO2的催化氧化:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0。下列说法正确的是(　　)

A.反应后气体分子数减少,增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益

B.反应放热,为提高SO2转化率,应尽可能在较低温度下反应

C.工业生产要求高效,为加快反应速率,应使用催化剂并尽可能提高体系温度

D.沸腾炉流出的气体必须经过净化,并补充适量空气,再进入接触室

8.(2022吉林长春外国语学校期中)以下化学平衡原理的应用正确的是(　　)

A.工业生产SO3的反应是2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH<0,实际生产可采用高压低温的生产条件

B.关节滑液由于形成尿酸钠晶体[Ur-(aq)+Na+(aq)NaUr(s)　ΔH<0]而引发关节炎,治疗时可采用冷敷

C.CO中毒是因为CO被吸入肺中发生反应:CO+HbO2(氧合血红蛋白)O2+HbCO(碳氧血红蛋白),治疗时可把病人放入高压氧舱

D.自来水厂用液氯进行自来水的消毒时会加入少量液氨,发生反应生成比HClO稳定的NH2Cl:NH3+HClOH2O+NH2Cl,目的是降低HClO的毒性

9.在硫酸的工业生产中,通过下列反应使SO2转化为SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0。已知常压下平衡混合气体中SO3的体积分数为91%,回答下列问题:

(1)在工业生产中常通入过量的空气是为了　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)加热到400~500 ℃是由于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)压强应采用　　　(填“高压”或“常压”)。原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)常用浓H2SO4来吸收SO3,而不用水,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(5)尾气中的SO2必须回收,是因为　　　　　　　　　　　　　　　　　。

能力提升练

题组一　工业合成氨的条件选择

1.(2020北京平谷一模)中国科学家在合成氨[N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0]反应机理的研究中取得新进展,首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系,并提出了“氮转移”催化机理,如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A.转化过程中有非极性键的断裂与形成

B.复合催化剂降低了反应的活化能

C.复合催化剂能降低合成氨反应的焓变

D.低温下合成氨,能提高原料的平衡转化率

2.(2022江西南昌外国语学校期中)已知工业合成氨反应为3H2(g)+N2(g) 2NH3(g),该反应在一定条件下进行时的热效应如图1所示,N2的平衡转化率如图2所示,下列说法正确的是(　　)

图1

图2

A.由图1可知,该反应的逆反应的活化能为E+ΔH

B.图2中L、X表示的物理量是温度或压强,依据信息可判断L1>L2

C.图2中a、b、c三点中v正最大的是b点

D.图2中a、b、c三点平衡常数的关系为Ka=Kc<Kb

题组二　具体工业情境中适宜生产条件的选择

3.常压下羰基化法精炼镍的原理为Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)。230 ℃时,该反应的平衡常数K=2×10-5。已知:Ni(CO)4的沸点为42.2 ℃,固体杂质不参与反应。

第一阶段:将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4;

第二阶段:将第一阶段反应后的气体分离出来,加热至230 ℃制得高纯镍。

下列判断不正确的是(　　)

A.该反应达到平衡时,v分解[Ni(CO)4]=4v消耗(CO)

B.第一阶段应选择稍高于42.2 ℃的反应温度

C.第二阶段,230 ℃时Ni(CO)4分解率较高

D.其他条件不变,增大c(CO),平衡正向移动,该反应的平衡常数不变

4.工业上主要采用氨氧化法生产硝酸,如图是氨氧化率与氨—空气混合气中氧氨比的关系。其中直线表示反应的理论值;曲线表示生产实际情况。当氨氧化率达到100%时,理论上r==　　　,实际生产要将r值维持在1.7~2.2之间,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案全解全析

基础过关练

1.A　根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应可以自发进行,该反应的ΔH<0、ΔS<0,所以在低温或常温下可自发进行,A正确;恒容条件下充入稀有气体,参与反应的各物质的浓度没有改变,则平衡不移动,对氨气的合成没有影响,B错误;合成氨的反应是分子数减小的反应,高压有利于平衡向正反应方向移动,且能提高正反应速率,跟催化剂的活性无关,C错误;N2的量越多,H2的转化率越大,但并不是N2越多越好,D错误。

2.B　工业合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,正反应为放热反应,温度越低原料的平衡转化率越高,但是低温下反应速率较小,为提高氨的合成速率,温度不能太低,且催化剂在700 K左右时活性最大,综合考虑转化率和反应速率,一般采用700 K左右的温度。

3.C　合成氨使用含铁催化剂,为防止催化剂中毒,必须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,可加快合成氨反应速率,又能使平衡右移,提高原料的平衡转化率,B项正确;合成氨反应放热,步骤③不能提高原料的平衡转化率,步骤④、⑤有利于提高原料的平衡转化率,C项错误;产品液氨可用酸吸收生产铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量热,可用作制冷剂,D项正确。

4.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,反应速率较快,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)正反应　放出　

(4)0.04 mol·L-1· min-1

解析　(3)Q=<K=4.1×106,反应向正反应方向进行,放出热量;由题给信息可知反应进行5 min后放出184.4 kJ热量,故5 min时生成的氨气为4 mol,列出三段式:

　　　　　　　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倍。(4)v(N2)==0.04 mol·L-1· min-1。

5.D　虽然高压会使该平衡正向移动,但应综合各种因素采取合适的压强,并不一定要高压,故A错误;增加B的量,可以提高A的转化率,但B的转化率会降低,故B错误;该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,反应物的转化率减小,故C错误;催化剂可以提高反应速率,单位时间内生成更多的M,提高M的日产量,故D正确。

6.D　根据温度升高,甲烷的平衡转化率增大可知,甲烷裂解属于吸热反应,A正确,D错误;催化剂能加快化学反应速率,B正确;甲烷发生裂解,反应后气体体积增大,故增大体系压强,平衡向逆反应方向移动,C正确。

7.D　反应后气体分子数减少,增大反应容器内压强,有利于平衡正向移动,但由于增大压强对设备要求和动力要求很高,成本高,效益可能不佳,故A错误;反应放热,为提高SO2转化率,应尽可能在较低温度下反应,但温度过低会使反应速率太慢,经济效益低,故B错误;工业生产要求高效,为加快反应速率,应使用催化剂,还需要考虑催化剂的最佳活性温度,不一定温度越高反应速率越大,故C错误;沸腾炉流出的气体含有许多粉尘和有害气体,会导致催化剂中毒,因此必须经过净化,沸腾炉中的反应使氧气含量下降明显,因此净化后要补充适量空气,再进入接触室,故D正确。

8.C　由勒夏特列原理知高压虽然有利于SO3生成,但在常压下SO2的平衡转化率已经很高,加压会增大成本和能量消耗,故实际生产中,通常采用常压操作;低温反应速率较低,不利于生产,该反应的正反应为放热反应,升高温度不利于平衡向正反应方向移动,还需考虑催化剂的活性,故实际生产采用的是适宜的温度、常压、催化剂,A错误。反应Ur-(aq)+Na+(aq)NaUr(s)的正反应是放热反应,冷敷有利于平衡向正反应方向移动,产生更多尿酸钠,加重病情,B错误。把病人放入高压氧舱,增大氧气的浓度,平衡逆向移动,减少CO与Hb(血红蛋白)的结合,C正确。加液氨后,使部分HClO转化为较稳定的NH2Cl,随着HClO被消耗,题述平衡向左移动,又产生HClO起杀菌作用,D错误。

9.答案　(1)增大O2的浓度,使平衡正向移动,提高SO2的转化率,使成本高的SO2得到充分利用

(2)400~500 ℃是催化剂的活性温度,选择此温度可以提高反应速率,缩短达到平衡的时间

(3)常压　常压下,平衡混合气体中SO3的体积分数已达91%,若再加压,对设备动力系统要求高,成本高

(4)用水吸收易形成酸雾,吸收效果差

(5)SO2是有毒气体,避免对环境造成污染

解析　在硫酸的工业生产中,运用化学平衡原理选择适宜的反应条件,要综合考虑浓度、压强、温度、催化剂等对该反应的反应速率、转化率的影响,同时还要考虑工业生产的实际情况和生产成本。硫酸工业中2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,该反应的正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,增大压强,平衡正向移动,题中所给数据表明,常压下该反应的反应物的转化率较大,结合反应和工业生产的实际情况以及SO2和SO3的性质解答该题。

能力提升练

1.C　该反应是可逆反应,单质中存在非极性键,所以有非极性键的断裂与形成,A正确;催化剂能降低反应所需的活化能,B正确;催化剂不能改变反应的焓变,所以复合催化剂不能降低合成氨反应的焓变,C错误;N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,该反应的正反应为放热反应,低温条件下,平衡正向移动,因此低温下合成氨能提高原料的平衡转化率,D正确。

2.C　由题图1可知,该反应的逆反应的活化能为E-ΔH,A错误;根据化学方程式可知,温度相同时,增大压强,平衡正向移动,N2的平衡转化率增大,所以X代表温度,L代表压强且L1<L2,B错误;一般,温度越高反应速率越大,压强越大反应速率越大,题图2中a、b、c三点中b点温度高、压强大,所以v正最大的是b点,C正确;对于确定的反应,平衡常数只与温度有关,a、c点温度相同,平衡常数相同,升高温度平衡逆向移动,K减小,所以题图2中a、b、c三点平衡常数的关系为Ka=Kc>Kb,D错误。

3.A　同一化学反应中,反应速率之比等于对应物质的化学计量数之比,该反应达到平衡时,应满足4v分解[Ni(CO)4]=v消耗(CO),A错误;第一阶段得到气态Ni(CO)4,应选择稍高于42.2 ℃的反应温度,B正确;230 ℃时可得到高纯镍,说明此时Ni(CO)4分解率较高,C正确;对于确定的反应,平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,D正确。

4.答案　1.25　O2太少不利于NH3的转化,r值为2.2时NH3氧化率已接近100%

解析　由NH3催化氧化的化学方程式:4NH3+5O2 4NO+6H2O可知,氨氧化率达到100%,理论上r==1.25;由题图可知,实际生产要将r值维持在1.7~2.2之间,原因是O2太少不利于NH3的转化,r值为2.2时NH3氧化率已接近100%。