高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨精品复习练习题

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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：______温度、______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______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
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：______N2或H2的浓度，______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
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____________和____________两个角度选择合成氨的适宜条件
①尽量增大反应物的____________，充分利用原料
②选择较快的反应速率，提高单位时间内的____________
（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______左右
2
物质的量
N2、H2投料比______
3
压强
1×107～1×108Pa
4
催化剂
选择______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
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
【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
【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
【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
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
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
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
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
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
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________。
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”）。
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
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
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
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
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
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
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。
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）_________。
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
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（ ）。

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
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）
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
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________________________。