第13讲 化学反应条件的优化——工业合成氨-2023-2024学年高二化学同步精品讲义（鲁科选择性必修一）

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第13讲 化学反应条件的优化——工业合成氨
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课程标准
课标解读
1．知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
2．初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。
3．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用。
1．认识反应条件对合成氨化学反应速率和化学平衡的影响，能够运用化学反应原理分析影响合成氨的因素，初步学会运用变量控制的方法研究化学反应。
2．具有理论联系实际的观念，能依据实际条件并运用多学的化学知识和方法解决合成氨中的化学问题。能运用所学知识分析和探讨合成氨对人类健康、社会可持续发展可能带来的双重影响。能主动关心与保护环境、资源开发等有关的社会热点问题，形成与环境和谐共处，合理利用自然资源的观念。
知识精讲

知识点01 合成氨反应的限度
1．反应原理（298 K）
N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。
2．反应特点

3．影响因素
（1）反应条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。
（2）投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的百分含量最高。
【即学即练1】（双选）下列有关工业合成氨的叙述中正确的是（ ）。
A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率
B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨
C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响
D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大
【解析】选CD。温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。
知识点02 合成氨反应的速率
1．增大合成氨反应速率的方法

2．浓度与合成氨反应速率之间的关系
（1）速率方程：v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）
（2）提高合成氨反应的速率：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度。
【即学即练2】在合成氨反应中，下列情况不能使反应速率加快的是（ ）。
A．加入氮气 B．减小压强，扩大容器体积
C．加入催化剂 D．适当升高温度
【解析】选B。增大反应物氮气的浓度，活化分子的数目增多，正、逆反应速率加快，故A不能选；减小压强，扩大容器体积，会导致化学反应速率减慢，故B为本题的答案；催化剂能够同时增大反应的正反反应速率，故C不能选；升高温度，活化分子的百分数增大，使正、逆化学反应速率加快，故D不能选。
知识点03 合成氨反应的适宜条件
1．合成氨反应适宜条件分析
（1）两个角度：从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件
①尽量增大反应物的转化率，充分利用原料
②选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量
（2）其他方面：考虑设备的要求和技术条件
2．合成氨的适宜条件
序号
影响因素
选择条件
1
温度
反应温度控制在700K左右
2
物质的量
N2、H2投料比1∶2.8
3
压强
1×107～1×108Pa
4
催化剂
选择铁作催化剂
【即学即练3】（2021·泰安高二检测）在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是（ ）。
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．采用700K左右的高温而不是900K的高温
D．采用2×107～5×107Pa的压强
【解析】选B。把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度（700K）利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应的进行，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂是为了增大反应速率，与平衡无关。
能力拓展

考法01 工业反应条件的选择
【典例1】一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件相同（浓度、温度、压强）情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如下图，下列说法不正确的是（ ）。

A．不考虑催化剂价格因素。选择Fe2O3作催化剂可以节约能源
B．选择Fe2O3作催化剂，最适宜温度为340℃左右
C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高催化剂活性降低了
D．其他条件相同的情况下。选择Cr2O3作催化剂，SO2的平衡转化率最小
【解析】选D。根据图象可知，当温度在340℃时，在Fe2O3作催化剂条件下，反应先达到平衡，SO2的平衡转化率最大，A正确；340～380℃温度范围内，催化剂的催化能力最大，二氧化硫的转化率也是最大，反应速率最快，B正确；催化剂催化能力需要维持在一定的温度下，温度太高，催化剂活性可能会降低，C正确；相同其他条件下。选择Cr2O3作催化剂，在温度为380℃时，SO2的平衡转化率不是最小的，NiO作催化剂时，相同温度下，SO2的转化率是最小的，D错误。
【知识拓展】工业合成氨适宜条件的选择
1．工业生产中选择适宜生产条件的思路
（1）分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。
（2）根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。
（3）从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。
反应条件
有利于加快速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH＜0
低温
兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞0
高温
在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强
高压
（有气体参加）
ΔV（g）＜0
高压
在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
ΔV（g）＞0
低压
兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
2．工业合成氨生产条件的选择
（1）合成氨生产的要求。
①反应要有较快的反应速率。
②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。
（2）合成氨生产条件的选择依据。
①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。
②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。
（3）选择合成氨生产条件的理论分析。
外界因素
理论分析
压强
压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压
温度
温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右（且在此温度时催化剂的活性最大）
催化剂
使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂
浓度
合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去
其他
为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用
考法02 转化率和百分含量的变化
【典例2】反应：①PCl5（g）PCl3（g）+Cl2（g）；②2HI（g）H2（g）+I2（g）；③2NO2（g）N2O4（g）。在一定条件下，达到化学平衡时，反应物的转化率均是a％。若保持各自的温度不变、体积不变，分别再加入一定量的各自的反应物，则转化率（ ）。
A．均不变 B．①增大，②不变，③减小
C．均增大 D．①减小，②不变，③增大
【解析】选D。若保持各自的温度、体积不变，分别加入一定量的各自的反应物，可以等效为将原来的容器缩小体积，实际上增大的反应体系的压强，①反应是一个反应前后气体体积增大的可逆反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，所以转化率减小；②反应是一个反应前后气体体积不变的可逆反应，增大压强，平衡不移动，所以转化率不变；③反应是一个反应前后气体体积减小的可逆反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，所以转化率增大。
【知识拓展】特殊情况下转化率和百分含量的变化
1．恒温下浓度变化对转化率和百分含量的影响
（1）恒容：同倍数增大反应物或产物浓度，相当于增大压强
mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）
①m+n＞p+q，反应物转化率变大，百分含量降低；生成物的产率变大，百分含量升高。
②m+n＝p+q，反应物转化率不变，百分含量不变；生成物的产率不变，百分含量不变。
③m+n＜p+q，反应物转化率变小，百分含量升高；生成物的产率变小，百分含量降低。
（2）恒压：同倍数增大反应物或产物浓度，平衡不移动
（3）反应物多种，加谁谁的转化率变小，其余的变大
2．投料比对转化率和百分含量的影响
（1）反应物转化率相等的条件：投料比＝化学计量数比
（2）生成物含量最大的条件：投料比＝化学计量数比

3．容器类型对转化率和百分含量的影响

（1）起始量完全相同，非等体反应
①反应物的转化率：恒压容器＞恒容容器＞绝热容器
②产物的百分含量：恒压容器＞恒容容器＞绝热容器
（2）起始量完全相同，等体反应
①反应物的转化率：恒压容器＝恒容容器＞绝热容器
②产物的百分含量：恒压容器＝恒容容器＞绝热容器
考法03 等效平衡分析
【典例3】（2021•上海松江区高二上学期期末检测）相同温度下，在体积相等的三个恒容密闭容器中发生可逆反应：2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＝－196.4kJ/mol。实验测得起始、平衡时的有关数据如下表：
容器
编号
起始时各物质物质的量/mol
达平衡时体
系能量的变化
SO2
O2
SO3
①
2
1
0
放出热量：akJ
②
1
0.5
1
放出热量：bkJ
③
4
2
0
放出热量：ckJ
下列叙述正确的是（ ）。
A．放出热量关系：a＝b
B．三个容器内反应的平衡常数：③＞②＞①
C．平衡时SO3气体的体积分数：③＞①
D．SO2的转化率：②＞①＞③
【解析】选C。②与①相比，二者为完全等效平衡，平衡时对应各组分的物质的量相等，②中生成的SO3的物质的量较小，故②中放出的热量较少，即a＞b，故A错误；从平衡常数是只与温度有关的物理量，与物质的浓度无关，温度相等平衡常数相等，故B错误；③以①相比，③到达的平衡相当于在①的平衡基础上压强增大1倍，平衡向右移动，平衡时SO3气体的体积分数增大，故C正确；③以①相比，③到达的平衡相当于在①的平衡基础上压强增大1倍，平衡向右移动，SO2的转化率增大，故SO2的转化率：③＞①，故D错误。
【知识拓展】等效平衡
1．含义

2．解题方法：极端假设法
（1）按照系数将新加入的原料的量全部换算成起始时反应物或生成物的量
（2）将换算量与原配比量相比较（相等或成比例）
3．全等平衡
（1）平衡条件：起始量相等
（2）平衡特征
①直接判据：某组分的质量、物质的量不变
②间接判据：恒温恒容下，物质的量浓度不变
③绝对判据：恒温恒容下，非等体反应均为全等平衡
4．相似平衡
（1）平衡条件：起始量成比例
（2）平衡特征：某组分的百分含量保持不变
①恒温恒容：等体反应
②恒温恒压：任意特征气体反应
（3）平衡时某组分的量
①等体反应：A（g）+B（g）2C（g）
ψ（C）＝＝
②非等体反应：2A（g）+B（g）2C（g）
n（A）∶n（B）∶n（C）＝nA起∶nB起∶nC平
4．按化学计量数比混合的等效平衡的特殊性
（1）正反应和逆反应的转化率的关系：正+逆＝1
（2）正反应和逆反应热量的关系
①Q正+Q逆＝k×|△H |（k＝＝系数的倍数）
②正反应的转化率：正＝＝
③逆反应的转化率：逆＝＝
（3）由于起始加入的量及物质不同，反应的程度也不同，所以转化率和热量不一定相等。
分层提分

题组A 基础过关练
1．（2021·顺义区高二检测）1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，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
【解析】选B。合成氨反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＜0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动，②④正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，⑤正确。
2．（2021·惠州高二检测）在合成氨反应中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，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响
D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果
【解析】选C。对于反应N2（g）+3H2（g）2NH3（g），使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，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的方向移动。
3．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
【解析】选D。本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小生成物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。
4．（2021·江苏南京高二上学期期末检测）氯化硫酰（SO2Cl2）主要用作氯化剂。它是一种无色液体，熔点－54.1℃，沸点69.1℃，遇水生成硫酸和氯化氢。氯化硫酰可用干燥的二氧化硫和氯气在活性炭催化剂存在下反应制取：SO2（g）+Cl2（g）SO2Cl2（l）△H＝－97.3kJ/mol。为了提高上述反应中Cl2的平衡转化率，下列措施合理的是（ ）。
A．扩大容器体积 B．使用催化剂
C．增加SO2浓度 D．升高温度
【解析】选C。提高Cl2的平衡转化率，应该使平衡正向移动，增大反应物的浓度、增大反应体系的压强（缩小容器的体积）、降低温度，都可以达到该目的。
5．（天津市部分区2021~2022学年度第一学期高二期中练习）有平衡体系：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）ΔH＜0，为了增加甲醇的产量，应采取的正确措施是（ ）。
A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂
C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂
【解析】选B。由CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）ΔH＜0知，该反应为放热的体积缩小的可逆反应，高温将会使平衡逆向移动，不利于提高甲醇的产量，但温度太低，反应速率太慢，也不利用提高单位时间内的产量，所以温度应适当；高压能使平衡正向移动，从而提高甲醇的产量；催化剂不能改变生成物的产量，但可提高平衡前单位时间内生成物的产量。高温对提高甲醇的产量不利，高压有利于提高甲醇的产量，A不合题意；适宜温度、高压、催化剂，都对提高甲醇的产量有利，B符合题意；低温、低压，都对提高甲醇的产量不利，C不合题意；高温对提高甲醇的产率不利，高压、催化剂对提高甲醇的产率有利，D不合题意。
6．（2020年7月·浙江学考真题）一定条件下：2NO2N2O4；△H＜0。在测定NO2的相对分子质量时，下列条件中，测定结果误差最小的是（ ）。
A．温度0℃、压强50kPa
B．温度130℃、压强300kPa
C．温度25℃、压强100kPa
D．温度130℃、压强50kPa
【解析】选D。测定二氧化氮的相对分子质量，要使测定结果误差最小，应该使混合气体中NO2的含量越多越好，为了实现该目的，应该改变条件使平衡尽可以地逆向移动。该反应是一个反应前后气体分子数减小的放热反应，可以通过减小压强、升高温度使平衡逆向移动，则选项中，温度高的为130℃，压强低的为50kPa，结合二者选D。
7．工业合成氨的反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，其部分工艺流程如图所示。

反应体系中各组分的部分性质如表所示。
气体
N2
H2
NH3
熔点/℃
－210.01
－252.77
－77.74
沸点/℃
－195.79
－259.23
－33.42
回答下列问题：
（1）该反应的化学平衡常数表达式K＝__________。随着温度升高，K值____________（填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上将气体循环利用，即反应后通过把混合气体的温度降低到________，将________分离出来；继续循环利用的气体是________。
【解析】（1）由合成氨反应的化学方程式可写出平衡常数表达式K＝，此反应的ΔH＜0，说明该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，c平（NH3）减小，c平（N2）和c平（H2）增大，故K值减小。（2）根据气体熔沸点的大小可知，氨易液化，将温度降低到氨气的沸点（－33.42℃）变为液态后，将氨气从体系中分离出去可使平衡正向移动，剩余的N2和H2可循环利用，提高产率。
【答案】（1）K＝；减小（2）－33.42℃；氨；N2和H2
8．（2021·上海宝山区高二上学期期中）乙醇是重要的化工产品和液体燃料，可以利用下列反应制取乙醇：
2CO2（g）+6H2（g）CH3CH2OH（g）+3H2O（g）①298K时，K1＝2.95×1011
2CO（g）+4H2（g）CH3CH2OH（g）+H2O（g）②298K时，K2＝1.71×1022
（1）写出反应①的平衡常数表达式K＝_______________________。
（2）条件相同时，反应①与反应②相比，转化程度更大的是_______。以CO2为原料合成乙醇的优点是_________________________________________________。（写出一点即可）
（3）在一定压强下，测得反应①的实验数据如下表：

根据表中数据分析：
①温度升高，K值_________（填“增大”、“减小”或“不变”）。
②提高氢碳比（），对生成乙醇__________（填“不利”或“有利”）。
【解析】（1）反应：2CO2（g）+6H2（g）CH3CH2OH（g）+3H2O（g）的平衡常数表达式为：K＝。（2）因反应②的K大，则正向进行的程度大，即反应物的转化程度高；以CO2为原料合成乙醇，减少二氧化碳造成的温室效应，废弃物利用，有利于环保；（2）①由表格数据可以看出，温度越高，CO2转化率越低，则升高温度平衡逆向移动，则K值越小；②由表中的数据可知，相同温度时，提高氢碳比（），则CO2的转化率增大，化即学平衡正向移动，对生成乙醇有利。
【答案】（1）
（2）反应②；废弃物利用，有利于环保（合理即可）
（3）①减小②有利
题组B 能力提升练
1．（江苏省扬州2021~2022学年高二上学期期末）合成氨反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ/mol，下列有关合成氨反应的说法正确的是（ ）。
A．反应的ΔS＞0
B．反应的ΔH＝E（N－N）+3E（H－H）－6E（N－H）（E表示键能）
C．反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2×6.02×1023
D．反应在高温、高压和催化剂条件下进行可提高H2的平衡转化率
【解析】选C。该反应是气体物质的量减少的反应，是熵减的反应，即ΔS＜0，故A错误；利用ΔH＝反应物的键能总和－生成物键能总和，ΔH＝E（N≡N）+3E（H－H）－6E（N－H），故B错误；根据反应方程式，氢元素的化合价由0价升高为+1价，即每消耗1mol氢气转移电子物质的量为1mol×2＝2mol，故C正确；该反应为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，平衡向逆反应方向进行，氢气的平衡转化率降低，使用催化剂，对化学平衡的移动无影响，故D错误。
2．（江苏省百校大联考2022届高二上学期期末检测）工业上可通过反应4HCl（g）+O2（g）2Cl2（g）+2H2O（g）ΔH＝－114.4kJ·mol－1。将HCl转化为Cl2，下列有关说法正确的是（ ）。
A．使用催化剂能缩短该反应达到平衡的时间
B．升高温度和增大压强均能提高反应中HCl的平衡转化率
C．反应的平衡常数可表示为K＝
D．其他条件相同，增大，HCl的转化率上升
【解析】选A。使用合适的催化剂能缩短该反应到达平衡的时间；正反应为放热反应，升高温度，HCl的平衡转化率减小；平衡常数表达式中缺少反应物和生成物的幂；增大，HCl的转化率下降。
3．（2021·九江高二检测）合成氨反应通常控制在20～50MPa的压强和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：

20MPa
60MPa
500℃
19.1
42.2
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明（ ）。
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】选D。表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业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。
4．（双选）乙烯气相直接水合反应制备乙醇：C2H4（g）+H2O（g）C2H5OH（g）。乙烯的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图［起始时，n（H2O）＝n（C2H4）＝1mol，容器体积为1L］。下列分析不正确的是（ ）。

A．乙烯气相直接水合反应的ΔH＞0
B．图中压强的大小关系为p1＞p2＞p3
C．图中a点对应的平衡常数的数值K＝
D．达到平衡状态a、b所需要的时间：a＞b
【解析】选AB。压强不变时，升高温度乙烯转化率降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应，则ΔH＜0，故A不正确；相同温度下，增大压强平衡正向移动，乙烯转化率增大，根据图知，压强：p1＜p2＜p3，故B不正确；a点乙烯转化率为20%，则消耗的n（C2H4）＝1mol×20%＝0.2mol，根据“三段式”：

C2H4（g）
+
H2O（g）

C2H5OH（g）
起始mol/L
1

1

0
变化mol/L
0.2

0.2

0.2
平衡mol/L
0.8

0.8

0.2
化学平衡常数K＝＝＝L/mol，故C正确；温度越高、压强越大，化学反应速率越快，反应达到平衡时间越短，温度、压强：a＜b，则反应速率：a＜b，所以达到平衡状态a、b所需要的时间：a＞b，故D正确。
5．在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是（ ）。

A．△H1＜0，△H2＞0
B．增大压强有利于加快合成反应的速率
C．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
D．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率
【解析】选D。根据图示升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）向逆反应方向移动，ΔH1＜0，升高温度CO的产率增大，反应CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）向正反应方向移动，ΔH2＞0，选项A正确；反应有气体参与，增大压强有利于加快合成反应的速率，选项B正确；催化剂有一定的选择性，选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生，选项C正确；由图像可见，温度越高CH3OH的产率越低，选项D错误。
6．有两个极易导热的密闭容器a和b（如图所示），a容器体积恒定，b容器压强恒定。在同温同压和等体积条件下，向a和b两容器中通入等物质的量的NO2，发生反应：2NO2N2O4 △H＜0，则以下说法正确的是（ ）。

A．反应起始时两容器的反应速率va和vb的关系：va＜vb
B．反应过程中两容器内的反应速率va和vb的关系：va＜vb
C．反应达到平衡时，两容器内压强相同
D．反应达到平衡时，两容器的NO2的转化率相同
【解析】选B。起始时温度、浓度和压强都是相同的，所以反应速率相同，A不正确。反应是体积减小的可逆反应，因此在反应过程中b中的压强始终大于a中的压强，因此反应速率快，B正确，C不正确。由于压强大有利于平衡向正反应方向移动，所以b中的转化率大于a中的转化率，D不正确。
7．以黄铁矿（FeS2）为原料，采用接触法生产硫酸的流程可简示如下：

请回答下列问题：
（1）在炉气制造中，生成SO2的化学方程式为______________________________；
（2）炉气精制的作用是将含SO2的炉气_______________、_______________及干燥，如果炉气不经过精制，对SO2催化氧化的影响是矿尘，砷、硒等化合物使_______，水蒸气对设备和生产有不良影响。

（3）精制炉气（含SO2体积分数为7％、O2为11％、N2为82％）中SO2平衡转化率与温度及压强关系如下图所示。在实际生产中，SO2催化氧化反应的条件选择常压、450℃左右（对应图中A点），而没有选择SO2转化率更高的B或C点对应的反应条件，其原因分别是__________________________________________________________、__________________________________________________________________；
（4）在SO2催化氧化设备中设置热交换器的目的是_______________、上层反应气经热交换器温度降到400℃～500℃进入下层使反应更加完全，从而充分利用能源。
【解析】（1）黄铁矿的主要成分是FeS2，在高温条件下与氧气反应生成Fe2O3和SO2；（2）在催化氧化时必须进行除尘、洗涤、干燥，以达到除去砷、硒等化合物的效果，这些物质会使催化剂中毒，并且水蒸气在高温下与铁反应，对设备和生产有不良影响。（3）在反应2SO2+O22SO3中，SO2转化率较高，工业上一般不采用更高的压强，因为压强越大对设备的投资越大，消耗的动能越大．SO2的转化率在1个大气压下的转化率已达到97%左右，在提高压强，SO2的转化率提高的余地很小，本反应为放热反应，工业生产中不采取较低的温度，因为温度越低，SO2的转化率虽然更高，但催化剂的催化作用会受影响，450℃时，催化剂的催化效率。（4）在SO2催化氧化设备中设置热交换器，把不同温度之间的气体进行热交换，可预热反应气体，冷却生成气体，可起到充分利用能源的目的。
【答案】（1）4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
（2）除尘；水洗；催化剂中毒
（3）不选B点，因为压强越大对设备的投资大，消耗的动能大，SO2原料的转化率在1个大气压下已经达到97%左右，再提高压强，SO2的转化率提高的余地很小，所以采用1个大气压。不选择C点，因为温度低，SO2转化率虽然更高，但催化剂的催化作用受影响，450℃时，催化剂的催化效率最高。故选择A点，不选C点。
（4）利用反应放出的热量预热原料气
8．某温度下，在1L的密闭容器中加入1molN2、3molH2，使反应N2+3H22NH3达到平衡，测得平衡混合气体中N2、H2、NH3分别为0.6mol、1.8mol、0.8mol，维持温度和容器体积不变，令x、y、z代表初始加入的N2、H2、NH3的物质的量（mol）。如果x、y、z取不同的数值，它们必须满足一定的相互关系，才能保证达到平衡时，反应混合物中三种气体的物质的量仍跟上述平衡时完全相同。请填写下列空白：
（1）若x＝0，y＝0，则z＝_________。
（2）若x＝0.75，则y＝_________，z＝_________。
（3）x、y、z应满足的一般条件是（用含x、y、z的关系式表示）_________。
【解析】（1）加入2molNH3，完全分解即为1molN2、3molH2，所以与原平衡等效。（2）欲与原平衡等效，将NH3完全分解后容器中应为1molN2、3molH2，现N2为0.75mol，则还须0.25mol，根据方程式可用0.5molNH3提供，0.5molNH3分解还产生0.75molH2，则H2起始时应加3mol－0.75mol＝2.25mol。（3）将zmolNH3完全分解后，可得mol N2、molH2，与起始时加入的量之和必须是1molN2、3molH2才与已知平衡等效。即，
【答案】（1）2mol （2）y＝2.25mol、z＝0.5mol
（3），
题组C 培优拔尖练
1．（2022年1月浙江选考化学仿真模拟试卷A）苯乙烯与溴苯在一定条件下发生Heck反应：++HBr，某实验小组在原料及催化剂钯用量等均相同的条件下进行多组实验，测得如下数据；
反应温度/℃
100
100
100
100
120
140
160
反应时间/h
10
12
14
16
14
14
14
产率/%
81.2
84.4
86.6
86.2
93.5
96.6
96.0
下列说法正确的是（ ）。
A．该反应为吸热反应
B．由表中数据可知最佳反应条件为120℃、14h
C．在100℃时、反应时间10~14h内，产率增加的原因是反应速率增大
D．从140℃升到160℃，反应相同时间产率下降的原因可能是平衡向逆反应方向移动
【解析】选D。A项，由表中数据可知，温度为100℃时，随时间的推移产率增大，说明在该温度下14小时还未达到平衡，反应还在正向进行，此产率并非是平衡时的产率，由140℃升到160℃，反应相同时间产率下降的原因可能是平衡向逆反应方向移动，故该反应为放热反应，A错误；B项，由表中数据可知，反应条件为140℃、14h时产率最高，故为最佳反应条件，B错误；C项，温度不变，随着反应的进行反应物浓度减小，反应速率减慢，而在100℃时、反应时间10－14h内，产率增加的原因是在该温度下14小时还未达到平衡，反应还在正向进行，生成的产物越来越多，产率增大，C错误；D项，由A项分析可知，从140℃升到160℃，反应相同时间产率下降的原因可能是平衡向逆反应方向移动，也可能是催化剂高温下失去活性，D正确。
2．（2021·徽州高二检测）工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N2（g）+3H2（g）2NH3（g）反应的图象中，错误的是（ ）。

【解析】选C。合成氨的正反应是放热反应，升高温度正、逆反应速率都增大，但逆反应速率增大的程度大，A正确；在T1时φ（NH3）最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，φ（NH3）减小，B正确，C错误；增大压强，平衡正向移动，φ（NH3）增大，D正确。
3．反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生，其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中，反应Ⅲ发生在氧化塔中，不同温度下各反应的化学平衡常数如下表所示。下列说法正确的是（ ）。
温度（K）
化学平衡常数
反应Ⅰ：4NH3+5O2→4NO+6H2O
反应Ⅱ：4NH3+3O2→2N2+6H2O
反应Ⅲ：2NO+O2→2NO2
500
1.1×1026
7.1×1034
1.3×102
700
2.1×1019
2.6×1025
1.0
A．使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量
B．通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C．通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D．氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度
【解析】选A。使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，增大氧化炉中NO的含量，故A正确；升高温度，反应Ⅰ和反应ⅡK值均减小，则正反应均为放热反应，无法通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故B错误；反应Ⅰ和反应Ⅱ正反应均为增大压强的反应，无法通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故C错误；氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度，提高氨气的转化率，故D错误。
4．（2021·黑龙江大庆高二上学期期末检测）汽车尾气净化器中发生的反应为2NO（g）+2CO（g）N2（g）+2CO2（g）。一定温度下，在三个体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生上述反应，测得有关实验数据如表：
容器
温度（℃）
起始物质的量（mol）
平衡物质的量（mol）
NO
CO
N2
CO2
N2
CO2
I
400
0.2
0.2
0
0

0.12
II
400
0.4
0.4
0
0


III
300
0
0
0.1
0.2
0.075

下列说法正确是（ ）。
A．该反应的△S＜0、△H＞0
B．容器I中达到平衡所需时间2s，则v（N2）＝0.06mol/（L·s）
C．若起始时向I中充入NO、CO、N2、CO2各0.1mol，开始时v（正）＞v（逆）
D．达到平衡时，体系中c（CO）关系：c（CO，容器Ⅱ）＞2c（CO，容器Ⅰ）
【解析】选C。反应前的气体系数之和大于反应后气体系数之和，此反应属于熵减，即△S＜0，反应I中产生的N2的物质的量为mol＝0.06mol，对比反应I和反应III，降低温度，N2的物质的量升高，说明降低温度，平衡向正反应方向移动，即△H＜0，故A错误；容器I达到平衡N2的物质的量为mol＝0.06mol，根据化学反应速率的数学表达式，v（N2）＝＝0.03mol/（L·s），故B错误；根据表格容器I数据列“三段式”：

2NO
+
2CO

N2
+
2CO2
起始mol
0.2

0.2

0

0
变化mol
0.12

0.12

0.06

0.12
平衡mol
0.08

0.08

0.06

0.12
根据化学平衡常数的表达式，K＝＝＝21，若起始时向I中充入NO、CO、N2、CO2各0.1mol，此时的浓度商Qc＝＝＝10＜21，说明反应向正反应方向进行，v正＞v逆，故C正确；反应II相当于在I的基础上再通入0.2molNO和0.2molCO，此时假如平衡不移动，c（CO，容器II）＝2c（CO，容器I），增大反应物的浓度，平衡向正反应方向移动，因此有c（CO，容器II）＜2c（CO，容器I），故D错误。
5．把2mol SO2和2mol SO3气体，混和于固定容积的密闭容器中，在一定条件下发生反应：2SO2+O22SO3，平衡时SO3为nmol。在相同温度下，分别按下列配比在相同体积的密闭容器中放入下列起始物质，达平衡时SO3的物质的量大于n mol的是（ ）。
A．2mol SO2+1mol O2 B．4mol SO2+1mol O2
C．2mol SO2+1mol O2+2mol SO3 D．3mol SO2+1mol SO3
【解析】选C。本题可以利用“恒温恒容”下等效平衡的知识，通过比较几种状态量的的关系来分析，判断。先将开始时的2mol SO3气体换算成2mol SO2和1mol O2，所以相当于一开始有4mol SO2和1mol O2，再将选项中的SO3气体换算成SO2和O2的量。
方程式
2SO2+O22SO3
结论
物质
SO2
O2
平衡时SO3
选项
起始
4mol
2mol
nmol
平衡
A
4mol－2mol
1mol
小于nmol
不符合
B
4mol
1mol
nmol
不符合
C
4mol
1mol+1mol
大于nmol
符合
D
4mol
1mol－0.5mol
小于nmol
不符合
6．（2021·保定高二上学期期末检测）为妥善处理氯甲烷生产企业的副产物CCl4，以减少其对臭氧层的破坏。化学家研究在催化条件下，通过下列反应：CCl4+H2CHCl3+HCl使CCl4转化为重要的化工原料氯仿（CHCl3）。此反应伴随有副反应，会生成CH2Cl2、CH3Cl和CH4等。已知CCl4的沸点为77℃，CHCl3的沸点为61.2℃。
（1）在密闭容器中，该反应达到平衡后，测得如下数据（假设不考虑副反应）。
实验序号
温度℃
初始CCl4浓度
（mol·L－1）
初始H2浓度
（mol·L－1）
CCl4的平
衡转化率
1
110
0.8
1.2
A
2
110
1
1
50%
3
100
1
1
B
①此反应的化学平衡常数表达式为______________，在110℃时平衡常数为_______。
②实验l中，CCl4的转化率A_______50％（填“大于”、“小于”或“等于”）。
③实验2中，10 h后达到平衡，H2的平均反应速率为______________。
④实验3中，B的值______________（选填序号）。
A．等于50％ B．大于50％
C．小于50％ D．从本题资料，无法判断
（2）120℃，在相同条件的密闭容器中，分别进行H2的初始浓度为2mol·L一1和4mol·L－1的实验，测得反应消耗CCl4的百分率（x％）和生成物中CHCl3，的百分含量（y％）随时间（t）的变化关系如下图（图中实线是消耗CCl4的百分率变化曲线，虚线是产物中CHCl3的百分含量变化曲线）。

在图中的四条线中，表示H2起始浓度为2mol·L一1实验的消耗CCl4的百分率变化曲线是_______（选填序号）。根据上图曲线，氢气的起始浓度为_______mol·L一1时，有利于提高CCl4的平衡转化率和产物中CHCl3的百分含量。你判断的依据是________________________。
【解析】（1）因CCl4的沸点为77℃，CHCl3的沸点为61.2℃，所以在110℃或100℃时反应中各物质的状态均为气态，其平衡常数K＝。110℃由实验2可知反应中各物质的平衡浓度均为0.5mol·L－1，代入表达式计算得常数为1。实验1和实验2的反应温度相同，所以其平衡常数相同，利用这一相等，可以求出实验1中CCl4的平衡转化率，然后与50％比较，对于实验3，因温度不同，又不知该反应的热效应，所以无法判断转化率的大小。（2）由图像可知，氢气浓度越大反应越快，消耗CCl4的百分率变化就越快，相反就比较慢，所以H2起始浓度为2mol·L一1时，消耗CCl4的百分率变化曲线是③，CCl4的平衡转化率和产物中CHCl3的百分含量均得到提高的是①和②，此时氢气的浓度为4 mol·L－1。
【答案】（1）K＝，1 ②大于 ③0.05mol·L－1·h－1 ④D
（2）③；4；图中可见，4mol·L－1的①②曲线比2mol·L－1③④曲线CCl4转化率和产物中CHCl3的百分率的数值均高