高中化学第二章 化学反应速率与化学平衡第四节 化学反应的调控练习

第四节　化学反应的调控

基础巩固

1.合成氨工业中既能增大反应速率,又能提高氨的产率的方法是(　　)。

①减小压强　②增大压强　③升温　④降温　⑤及时从平衡混合气中分离出NH3　⑥分离出NH3后的N2、H2加压后输入合成塔　⑦加催化剂

A.①④⑤⑦ B.③⑤ 

C.②⑥ D.②③⑥⑦

答案:C

解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的特点为可逆、放热、气体体积减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率增大,可以增大压强或反应物浓度。

2.合成氨工业中有关催化剂的性质、作用的说法不正确的是(　　)。

A.合成氨反应若不使用催化剂,该反应就不能自发进行

B.反应前后催化剂的质量和化学性质都不改变

C.催化剂不能使化学平衡发生移动,但能缩短反应达到平衡所用的时间

D.催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率

答案:A

解析:催化剂可以增大化学反应速率,但不能改变化学反应的方向。

3.一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较(　　)。

A.a大 B.b大

C.a、b一样大 D.无法判断

答案:A

解析:先假设a容器开始时也保持容积不变,达到平衡时,容器a中N2的转化率α(a)与容器b中N2的转化率α(b)相等,即α(a)=α(b)。但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强,必须缩小容器a的容积,则平衡正向移动。因此再达平衡时,N2的转化率α1(a)变大了。即α1(a)>α(a),则α1(a)>α(b)。

4.下面是合成氨的简易流程示意图:

沿x路线回去的物质是(　　)。

A.N2和H2 B.催化剂

C.N2 D.H2

答案:A

5.德国化学家哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。下列所示是哈伯法的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)。

A.①②③ B.②④⑤

C.①③⑤ D.②③④

答案:B

解析:②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动,提高转化率。

6.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密闭容器中发生反应,放出的热量为92.4 kJ

B.平衡状态由M变为N时,平衡常数K(M)<K(N)

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

答案:C

解析:该反应为可逆反应,加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3,所以反应放出的热量小于92.4kJ,A项错误;从状态M到状态N,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。

7.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是(　　)。

A. B.

C. D.

答案:A

解析:设起始时H2为amol、N2为bmol,平衡时NH3为xmol,则

　　　　　　3H2　+　 N2       2NH3

起始/mol a b 0

平衡/mol a- b- x

依题意可得:×100%=25%

化简得:

解得:,即反应后减小的气体的物质的量与原反应物的总物质的量之比为。根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比为。

8.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(　　)。

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的含量增大

D.N2的平衡转化率增大

答案:D

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。

9.下列说法中,能用勒夏特列原理解释的是(　　)。

A.加入催化剂可以提高单位时间内氨的产量

B.高压有利于合成氨的反应

C.500 ℃比室温更有利于合成氨的反应

D.恒温恒容下,在合成氨平衡体系中充入He,使压强增大,则平衡正向移动,NH3的产量增大

答案:B

解析:A项,加入催化剂只能增大反应速率,缩短达到平衡的时间,不能使化学平衡发生移动。B项,合成氨是一个气体体积减小的反应,所以增大压强,使平衡正向移动,有利于合成氨,符合勒夏特列原理。C项,因为合成氨是一个放热反应,所以从化学平衡角度分析,应采用较低温度。500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动,但500℃左右催化剂活性最大,故500℃高温比室温更有利于合成氨的反应。D项,恒温恒容下充入He,惰性气体He不与N2、H2、NH3反应。虽然总压强增大了,但实际上平衡体系中各组分浓度不变,所以平衡不移动,NH3的产量不变。

10.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义,对我国实现农业现代化起着重要作用。根据已学知识回答下列问题。

已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1

(1)合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是　　　　。 

A.采用较高压强(10 MPa~30 MPa)

B.采用400~500 ℃的高温

C.用铁触媒作催化剂

D.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来

(2)合成氨工业中采用了较高压强(10 MPa~30 MPa),而没有采用100 MPa或者更大压强,试解释没有这么做的理由:　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案:(1)BC

(2)采用更大压强会要求使用承受更大压强的设备,从而增加生产成本(其他合理答案也可)

解析:(1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),反应后气体体积减小,压强增大,平衡正向移动;400~500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动;采用400~500℃既考虑到温度对速率的影响,更主要的是500℃左右催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率,不能使平衡发生移动;将氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度,平衡正向移动。(2)采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,增加了生产成本,降低了综合经济效益。

11.在容积相同的密闭容器中,分别充入等量的氮气和氢气,在不同温度下发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数,绘成图像如图所示,请回答下列问题。

(1)A、B、C、D、E五点中,肯定未达平衡的点是　　　　　　　　。 

(2)此可逆反应的正反应是　　　　热反应。 

(3)AC曲线是增函数曲线,CE曲线是减函数曲线,试从化学反应速率和化学平衡的角度分析,并说明理由:                             　。 

答案:(1)A、B　(2)放　(3)AC曲线是增函数曲线,温度升高,反应速率增大,生成NH3的质量分数增大;CE曲线是减函数曲线,此反应的正反应是放热反应,达到平衡后,温度升高,平衡向逆反应方向移动,NH3的质量分数减小

解析:(1)从图像中看出C点时,NH3的质量分数最大,说明A、B两点均未达到平衡。

(2)达到平衡(C点)后,升高温度,NH3的质量分数降低,说明此反应的正反应放热。

能力提升

1.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是(　　)。

A.正反应速率:M<N

B.点P处反应达到平衡

C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样

D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,n(H2)比图中Q点的n(H2)大

答案:D

解析:由图可以看出,N2与H2反应生成NH3,点M处比点N处的n(H2)大,点M处的正反应速率大,A项错误;P点处n(NH3)=n(H2),还没有达到平衡,B项错误;t1时已经达到平衡,点Q(t1时刻)处和点R(t2时刻)处n(N2)相同,C项错误;500℃高于400℃,升温,平衡逆向移动,t1时刻n(H2)在500℃时比在400℃时的大。

2.在一定条件下,将N2和H2按体积比1∶3充入恒容密闭容器中发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,下列说法正确的是(　　)。

A.达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等

B.达到平衡后,其他条件不变再充入氨气,新平衡时氨气的体积分数比原平衡时大

C.达到平衡时,升高温度加快了吸热反应的速率,降低了放热反应的速率,所以平衡向逆反应方向移动

D.加入催化剂可以缩短到达平衡的时间,这是因为增大了正反应的速率,而减小了逆反应的速率

答案:B

解析:反应物和生成物浓度是否相等与反应是否达到平衡状态无关,A项错误;升高温度,不论放热反应还是吸热反应的反应速率都增大,C项错误; 催化剂可以同等程度地改变正、逆反应的反应速率,D项错误;B项正确。

3.对于合成氨反应来说,使用催化剂和施以高压,下列叙述中正确的是(　　)。

A.都能增大反应速率,都对化学平衡无影响

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.都能缩短达到平衡状态所用的时间,只有增大压强对化学平衡状态有影响

D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而增大压强无此作用

答案:C

解析:对化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化剂只能增大反应速率使反应达到平衡状态所用的时间缩短,不能使化学平衡发生移动。施以高压能增大反应速率,使反应达到平衡状态所用的时间缩短,也能使化学平衡向生成NH3的反应方向移动。

4.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为3∶1∶1,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4,则此时氮气的转化率为(　　)。

A.10% B.20%

C.15% D.30%

答案:A

解析:由题意设H2、N2、NH3的物质的量分别为3mol、1mol、1mol。达到平衡时N2转化了amol。

　　　　　　　          N2(g)   +    3H2(g)      2NH3(g)

初始物质的量/mol 1 3 1

转化物质的量/mol a 3a 2a

平衡物质的量/mol 1-a 3-3a 1+2a

则,解得a=0.1

N2的转化率为α(N2)=×100%=10%。

5.在一定条件下,将10 mol H2和1 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是(　　)。

①15%　②25%　③35%　④45%

A.①② B.③④ 

C.①④ D.②③

答案:A

解析:利用极值法分析。对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3mol。事实上,N2不可能完全转化,因而消耗H2的物质的量小于3mol,故H2的最大转化率为α最大(H2)<×100%=30%,①②都有可能。

6.已知工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4 kJ·mol-1。改变反应条件,会使平衡发生移动。下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　　　(填字母,下同),当横坐标为温度时,变化趋势正确的是　　　　。 

答案:b　a

解析:增大压强,平衡正向移动,b正确;升高温度,平衡逆向移动,a正确。

7.工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),其部分工艺流程如下图所示:

回答下列问题。

(1)第②步除需要催化剂这个条件外,还需要的条件是　　　　　　　　　。 

(2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是　　　　　　　　　　　,第③步操作的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列中的　　　　。 

A.过滤 B.蒸馏

C.分液 D.萃取

你作出这个判断的理由是                          　。 

答案:(1)400~500 ℃,10 MPa~30 MPa

(2)防止催化剂“中毒”　提高原料利用率(或提高经济效益等)

(3)B　通过温度的改变而改变物质的状态,达到分离的目的

解析:(1)工业上通常采用铁触媒、在400~500℃和10MPa~30MPa的条件下合成氨。

(2)原料气中往往含有使催化剂“中毒”的物质,所以在进行原料气的反应前,需要除掉其中的杂质;工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气,也有未反应的氢气、氮气,为了提高原料气的利用率,将未反应的原料气进行重新利用,这样可以提高经济效益。

(3)降低温度,氨变为液态,从而进行分离,所以跟工业上利用的蒸馏类似,都是通过改变温度,使物质的状态发生变化而分离。

8.合成氨工艺的一个重要工序是铜洗,其目的是用铜氨液[醋酸二氨合铜(Ⅰ)、氨水]吸收在生产过程中产生的CO和CO2等气体。铜氨液吸收CO的反应是放热反应,其反应的离子方程式为[Cu(NH3)2]++CO+NH3CO]+。

回答下列问题:

(1)如果要提高上述反应的反应速率,可以采取的措施是　　　　　　。 

A.减压

B.增加NH3浓度

C.升温

D.及时移走产物

(2)铜氨液中的氨可吸收二氧化碳,写出该反应的化学方程式: 　　　　　　。

(3)简述铜氨液吸收CO及铜氨液再生的操作步骤(注明吸收和再生的条件)  　　　　　　　　　。 

答案:(1)BC

(2)2NH3+CO2+H2O(NH4)2CO3,(NH4)2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3

(3)低温加压下吸收CO,然后将吸收了CO的铜洗液在高温低压条件下释放CO,铜洗液可再生

解析:(1)降低压强,反应速率减小,A项不正确;增加NH3的浓度或升高温度,反应速率均增大,B、C项正确;及时移走产物,即降低生成物浓度,反应速率减小,D项不正确。

(2)氨气是碱性气体,CO2是酸性气体,两者反应的化学方程式为2NH3+CO2+H2O(NH4)2CO3,(NH4)2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3。

(3)该反应是气体体积减小的、放热的可逆反应,因此吸收CO的适宜条件是低温、加压;使铜液再生,需将吸收了CO的铜洗液在高温低压条件下释放CO,铜洗液可再生。

9.下表的实验数据是在不同温度和压强下,平衡混合物中NH3含量(体积分数)的变化情况。[投料V(N2)∶V(H2)=1∶3]

(1)比较200 ℃和300 ℃时的数据,可判断升高温度,平衡向　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动,正反应方向为　　　　(填“吸热”或“放热”)反应。 

(2)根据平衡移动原理,合成氨适宜的条件是　　　　。 

A.高温高压

B.高温低压

C.低温高压

D.低温低压

(3)500 ℃和30 MPa时N2的转化率为　　　　　　　　　。 

(4)实际工业生产氨时,考虑浓度对化学平衡的影响,及500 ℃对反应速率的影响,还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案:(1)逆反应　放热

(2)C

(3)41.77%

(4)加过量N2或及时从平衡体系中移走NH3,选择合适的催化剂(如铁触媒)

解析:(1)表中数据表明:恒压时,升高温度,NH3的体积分数减小,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应。

(2)由反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,合成氨适宜条件是低温、高压,此时平衡正向移动,反应物转化率大。

(3)假设N2的用量为1mol,H2的用量为3mol,N2的消耗量为xmol,则:

　　　N2(g)   +   3H2(g)      2NH3(g)

初始量/mol 1 3 0

转化量/mol x 3x 2x

平衡量/mol 1-x 3-3x 2x

得:×100%=26.4%

x≈0.4177

α(N2)=×100%=41.77%。

(4)增大反应物浓度或减小产物浓度有利于平衡正向移动;低温时虽然有利于化学反应正向进行,但速率较小,为增大化学反应速率,500℃时加入合适的催化剂 (如铁触媒),既增大化学反应速率,又使铁的催化剂性能最好。