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沪科技版（2020）选择性必修1工业合成氨的生产流程优秀练习题
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这是一份沪科技版（2020）选择性必修1工业合成氨的生产流程优秀练习题，文件包含242工业合成氨的生产流程学生版沪科版2020选择性必修第一册docx、242工业合成氨的生产流程教师版沪科版2020选择性必修第一册docx等2份试卷配套教学资源，其中试卷共31页， 欢迎下载使用。
2.4.2 工业合成氨的生产流程
学习聚焦
知识精讲
知识点01 合成氨的工业生产步骤
1．造气
（1）氮气：合成氨所需要的氮气都取自空气。
从空气中制取氮气通常有两种方法：一是将空气液化、蒸发，分离出氮气；二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。
（2）氢气：氢气则来源于水和碳或碳氢化合物反应。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为：H2O+CH4 CO+3H2，H2O + CO CO2+ H2
2．净化
在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中的某些杂质（如 H2S、CO等）会使合成氨所用的催化剂“中毒”，所以必须除去。
3．合成
净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂作用下合成氨（如图）。
从合成塔出来的混合气体，通常约含15%(体积分数)的氨，把反应后的混合气体通过冷凝器使氨液化而分离，再把分离出来的气体经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。
【即学即练1】下列关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B．合成氨反应需在低温下进行
C．对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D．使用催化剂可以提高反应速率
【答案】B
知识点02 工业合成氨工艺流程
原料气的制取→净化→压缩→合成→→液氨
【即学即练2】合成氨工业有下列生产流程 ：①原料气制备；②氨的合成；③原料气的净化和压缩 ；④氨的分离。其先后顺序为（ ）
A. ①②③④ B. ①③②④ C. ④③②① D. ②③④①
【答案】B
常见考法
常见考法一 工业生成氨的生产流程
【例1】对于工业合成氨，回答下列问题：
（1）工业合成氨造气时，理论上，1 mol CH4能生成多少摩尔氢气？
（2）工业上一般用K2CO3溶液吸收CO2，并且可实现循环利用，用相应的化学方程式说明之。
（3）原料气净化的目的是什么？
（4）如图所示的是合成氨的简要流程示意图，图中沿X路线到压缩机的物质是( )
A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2
【答案】（1）4 mol
（2）K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，2KHCO3K2CO3+CO2↑+H2O
（3）防止催化剂中毒 （4）A
【解析】（1）CH4先与H2O反应生成CO和H2，CO在催化剂的作用下继续与H2O反应生成CO2和H2，反应总方程式为：CH4+2H2O = CO2+4H2。
必杀技
1．合成氨的工业生产主要包括造气、净化、合成三个步骤。
2．原料气中氮气来自空气，氢气来自水与碳或碳氢化合物的反应。
3．原料气进入氨合成塔之前需净化，目的是防止催化剂中毒。
4．从合成塔出来的混合气体中分离出液氨后，剩余的气体（N2和H2）要循环使用。
【同步练习】哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流程图，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
常见考法二 实验室模拟合成氨
【例2】有人设计了如下装置模拟工业合成氨（图中夹持装置均已略去）。
[实验操作]
① 检查实验装置的气密性后，关闭弹簧夹a、b、c、d、e。在A中加入锌粒，向长颈漏斗注入一定量稀硫酸。打开弹簧夹c、d、e，则A中有氢气发生。在F出口处收集氢气并检验其纯度。
② 关闭弹簧夹c，取下截去底部的细口瓶C，打开弹簧夹a，将氢气经导管B验纯后点燃，然后立即罩上无底细口瓶C，塞紧瓶塞，如图所示。氢气继续在瓶内燃烧，几分钟后火焰熄灭。
③ 用酒精灯加热反应管E，继续通氢气，待无底细口瓶C内水位下降到液面保持不变时，打开弹簧夹b，无底细口瓶C内气体经D进入反应管E，片刻后F中的溶液变红。
回答下列问题：
（1）检验氢气纯度的目的是 。
（2）C瓶内水位下降到液面保持不变时，A装置内发生的现象是 ，防止了实验装置中压强过大。C瓶内气体的成份是 。
（3）在步骤③中，先加热铁催化剂的原因是 。
【答案】（1）防止H2和空气混合气体在E处受热时爆炸。
（2）酸会流回长颈漏斗中，和Zn脱离，使反应停止 N 2和H2
（3）铁触煤在较高温度时活性增大，加快氨合成的反应速率。
必杀技
1．无论工业上还是实验室，用N2和H2反应生成NH3的反应都是可逆反应。
2．NH3极易溶于水，其水溶液呈碱性。
3．检验NH3的生成，一般使用酚酞试液，或挥发性酸（如浓盐酸）。
【同步练习】实验室模拟合成氨的流程如下：
已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。
（1）从上图中选择制取气体的合适装置：氮气______、氢气_____。
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还可以________________、_______________________________。
（3）混合气体通过甲装置后，通过一个装有铁催化剂的高温装置后，气体的成分为 。
【答案】（1）a b
（2）干燥混合气 通过观察气泡控制N2和H2的通入比例
（3）N2、H2、NH3
常见考法二 以合成氨为载体的综合考查
【例3】氨气是一种重要的化工产品，在生产和科研中应用广泛，氨气是工业合成氨的原料之一，工业上制取氨气有下列两种途径：
途径一，用水和天然气作原料一步反应制得。
途径二，用煤和水作原料经多步反应制得。
请回答下列问题：
（1）途径一反应的还原产物是______。
（2）途径二中的一步反应为：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH<0
①上述反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是______（填写序号）。
A. 增大压强 B. 降低温度 C. 增大H2O(g)的浓度 D. 使用催化剂
②已知1000K时，上述反应的平衡常数K=0.627，若要使CO的转化率超过90%，则起始时c(H2O)：c(CO)不低于______。
（3）目前常用氨气处理硝酸生产的工业尾气，在左右且有催化剂存在的情况下，氨气能把还原成无色无毒气体，直接排入空气中，已知氢气的燃烧热为286 kJ·mol-1
试写出氨气与反应生成无毒气体和液态水的热化学方程式 。
【答案】（1）氢气； （2）①BC ②13.8
（3）4NH3(g)+6NO(g) = 5N2(g)+6H2O(l) ΔH = - 2071.2 kJ·mol-1
必杀技
这类题目往往是化学反应的能量变化、化学反应的方向、限度、速率的综合考查。
【同步练习】利用天然气为原料的一种工业合成氨简式流程如下图：
（1）步骤Ⅱ中制氢气的原理如下：
Ⅰ．CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) K1
Ⅱ．CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) K2
则反应CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) ；K=______ （用含K1、K2 的代数式表示）。
（2）合成氨的反应原理为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。在容积为 10L 的密闭容器中进行，起始时充入0.2 mol N2、0.6 mol H2反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如下图所示。
①实验 a 从开始至平衡时的反应速率v(H2) ______；实验 c 中N2 的平衡转化率 αc为______。
②与实验 a 相比，其他两组改变的实验条件是：b______，c______。
③M点的逆反应速率v逆______ N点的正反应速率v正（填“＞”、“＜”或“=”）；N点时再加入一定量NH3，平衡后H2的体积分数______ （填“增大”、“减小”或“不变”）。
【答案】（1）K1﹒K2
（2）5×10-4 mol·L-1·min-1 50% 使用催化剂 增大压强 ＜ 增大
分层提分
题组A 基础过关练
1. 化学家发明了一种合成氨的新方法．在常压下，用多孔钯多晶薄膜的催化将氢气和氮气转化为氨气。以下有关叙述正确的是（ ）
A. 增加氮气的量能提高氢气的转化率
B. 升高温度有利于氨气的合成
C. 采用冷水降温的方法将合成混合气体中的氨气液化
D. 此法与哈伯法合成氨工艺相近
【答案】A
【解析】选项A，两种物质反应时，增大一种物质的浓度，可以提高另一物质的转化率，A正确。选项B，温度过高，平衡会逆向移动，也可能影响催化剂的活性，B错。选项C，常压下，氨的液化温度低于水的熔点，冷水不会把氨液化，C错。选项D，哈伯法合成氨是在高温、高压、铁催化剂条件下进行的，而此法是在常压下进行的，二者的工艺差别较大，D错。答案为A。
2．合成氨所需要的H2可由煤和水反应制得：
(1)H2O(g)＋C(s) CO(g)＋H2(g) ΔH>0
(2)CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH<0
工业生产中，欲提高CO的转化率，所采用的下列措施最佳组合是( )
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H2O(g)的浓度
A．①⑤ B．②③ C．②④⑤ D．③⑤
【答案】A
3．比较合成氨合成塔与制硫酸接触室中的反应，下列说法错误的是
A．都使用了合适的催化剂
B．都选择了较高的温度
C．都选择了较高的压强
D．都未按化学方程式的系数进行投料反应
【答案】C
【解析】工业合成氨的压强是高压，而硫酸工业的压强是常压，所以选项C说法错误。
4．根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（ ）
A．研制耐高压的合成塔 B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂 D．探索不用H2和N2合成氨的新途径
【答案】C
【解析】现在合成氨工业主要选择高温、高压、铁催化剂，条件较为苛刻，选项C是方向。
5．可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，500 ℃时在容积为10 L的密闭容器中进行，开始时加入1 mol N2和6 mol H2，则达到平衡时，NH3的浓度不可能达到
A. 0.1 mol·L-1 B. 0.2 mol·L-1 C. 0.05 mol·L-1 D. 0.15 mol·L-1
【答案】B
【解析】N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，依据极值法计算分析，若氮气和氢气全部反应则：1molN2和6mol氢气反应，根据化学方程式计算可知，氢气过量，氮气全部反应生成氨气物质的量为2mol，c(NH3)=2 mol/10 L = 0.2 mol/L，因为反应是可逆反应，不可能进行彻底，所以反应过程中生成的氨气浓度小于0.2 mol/L，选项中A、C、D有可能生成，而B不能达到，故选B。
6．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
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
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
【答案】B
【解析】选项A中催化剂不能使平衡移动。选项B中加压可使合成氨反应正向移动。选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，500 ℃左右铁触媒活性最大。选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。答案为B.
7．在工业合成氨的工艺流程中，制得的N2、H2混合气体送入氨合成塔中之前必须进行净化除杂，净化的主要目的是
A．提高转化率 B．便于进行热交换
C．防止催化剂中毒 D．防止损坏设备
【答案】C
【解析】净化与否对反应混合气体的热交换和合成氨的转化率基本上没有影响，A、B不正确；某些杂质对设备有一定的腐蚀作用，但最主要的是杂质可使催化剂中毒，影响合成氨的进行，所以净化的主要目的是防止催化剂中毒，C项符合题意。答案为C.
8．合成氨工业上，采用氮氢循环操作的主要目的是
A．加快反应速率 B．提高氨气的平衡浓度
C．降低氨气的沸点 D．提高氮气和氢气的利用率
【答案】D
9. 关于合成氨工业的说法错误的是（ ）
A. 合成氨工业采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率
B. 工业上一般选择400-500℃的主要原因是让铁催化剂的活性大，反应速率快
C. 从合成氨的原理出发，增大压强既有利于加快速率又有利于平衡右移，但压强增大设备成本大幅度提升，所以实际工业中往往采用常压
D. 为了防止催化剂中毒，原料气需要经过净化
【答案】C
【解析】选项A，合成氨的转化率不高，所以需循环操作，A说法正确。选项B，400-500℃时，铁催化剂的活性最强，B说法正确。选项C，合成氨工业采用的压强是20 ～ 50 MPa，不是常压，C说法错误。答案为C。
10．工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·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见下表：
气体
氮气
氢气
氨
熔点/℃
－210.01
－259.77
－77.74
沸点/℃
－195.79
－252.23
－33.42
回答：
(1)写出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)K值越大，表明________(填字母)。
A．其他条件相同时N2的转化率越高
B．其他条件相同时NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高
D．化学反应速率越快
(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到________使________分离出来；继续循环的气体是________。
【答案】(1) 减小 (2)AB (3)－33.42 ℃ 氨 N2和H2
题组B 能力提升练
11. 下列说法正确的是( )
A. 增大反应物浓度，可增大活化分子百分数，从而使有效碰撞次数增多
B. 有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，可增大活化分子的百分数，从而使反应速率增大
C. 升高温度能使反应速率增大，主要原因是增加了反应物分子浓度
D. 使用正催化剂能增大活化分子百分数，从而显著地增大化学反应速率
【答案】D
【解析】选项A，增大反应物浓度，增大单位体积内活化分子个数，但活化分子百分数不变，故A错误。选项B，有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，可增大单位体积内活化分子的个数，但活化分子百分数不变，故B错误。选项C，升高温度，使部分非活化分子转化为活化分子，所以增大活化分子百分数，反应速率增大，故C错误。选项D，加入正催化剂，降低活化分子所需活化能，所以能增大活化分子百分数，反应速率加快，故D正确。故选D。
12．下列事实符合化学平衡移动原理的是
①Cl2在饱和食盐水中的溶解度比纯水中小
②降温有利于N2和H2反应生成NH3
③可以用浓氨水和浓氢氧化钠溶液或固体来制取氨气
④加催化剂有利于合成氨的反应
⑤工业上生产硫酸的过程中，使用过量的空气以提高二氧化硫的利用率
⑥500℃左右的温度比室温更有利于合成氨的反应
A. ①②③④⑤⑥ B. ①②③⑤ C. ①②③⑤⑥ D. ①②③④⑥
【答案】B
【解析】在饱和食盐水中抑制氯气的溶解，则其溶解度比纯水中小，故正确；
此反应为放热反应，降温有利于和反应生成，故正确；
生成物浓度减小，平衡正向移动，可以用浓氨水和浓氢氧化钠溶液或固体来制取氨气，故正确；
加催化剂可以使反应速率加快，但平衡不移动，故错误；
工业上生产硫酸的过程中，使用过量的空气使平衡正向移动以提高二氧化硫的利用率，故正确；
合成氨的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，但左右的温度比室温更有利于合成氨反应，不能用平衡移动原理解释，故错误。
13. 已知可逆反应X(g)＋2Y(g) Z(g) ΔH ＜0，一定温度下，在体积为2 L的密闭容器中加入4 mol Y和一定量的X后，X的浓度随时间的变化情况如图所示，则下列说法正确的是
A. 若向该容器中加入1molX、2molY，达平衡时，X的平衡浓度小于0.125mol/L
B. a点正反应速率大于逆反应速率
C. 反应达平衡时，降低温度可以实现c到d的转化
D. 该条件下，反应达平衡时，平衡常数K=3
【答案】B
【解析】选项A，根据图像可知，在反应开始时加入2 mol X 、4 mol Y，二者的物质的量的比是1:2，若向该容器中加入1 mol X、2 mol Y，二者的物质的量的比也是1:2，该反应是反应前后气体体积相等的反应，所以改变压强，化学平衡不发生移动，则当达到平衡时X的浓度是原来的1/2，c(X)=0.125mol/L，错误。
选项B，根据题意可知反应从正反应方向开始，到c点时达到化学化学平衡，此时正反应速率与逆反应速率相等，所以在达到平衡前的a点，正反应速率大于逆反应速率，正确。
选项C，反应达平衡时，降低温度化学平衡向放热的正反应方向移动，反应物的浓度会降低，所以不可能实现c到d的转化，错误。
选项D，该条件下，反应达平衡时，平衡常数，各种物质的浓度分别是c(X)=0.25mol/L，c(Y)=0.5mol/L，c(Z)=0.75mol/L，所以该反应的化学平衡常数K= c(Z)÷[c(X)×c2(Y)]= 0.75÷[0.25×0.52]=12，错误。
14. 室温下，向圆底烧瓶中加入1 mol C2H5OH 和含 1 mol HBr的氢溴酸，溶液中发生反应；C2H5OH+HBrC2H5Br+H2O，充分反应后达到平衡。已知常压下，C2H5Br 和C2H5OH 的沸点分别为 38.4℃和 78.5℃。下列有关叙述错误的是
A. 加入NaOH，可增大乙醇的物质的量
B. 增大HBr 浓度，有利于生成 C2H5Br
C. 增大C2H5OH 的浓度，HBr 的转化率提高
D. 若起始温度提高至 60℃，可缩短反应达到平衡的时间
【答案】D
【解析】选项A，加入NaOH，中和HBr，平衡逆向移动，可增大乙醇的物质的量，故A正确。选项B，增大HBr浓度，平衡正向移动，有利于生成C2H5Br，故B正确。选项C，增大C2H5OH的浓度，平衡正向移动，HBr的转化率提高，故C正确。选项D，若起始温度提高至60℃，考虑到HBr易挥发，温度升高化学反应速率加快，而反应物浓度减小能使化学反应速率变慢，故不一定能缩短到达平衡的时间，故D错误。答案选D。
15. 三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料，在催化剂作用下可发生反应：2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g) + SiCl4(g)，在50℃和70℃时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
下列叙述不正确的是
A. 该反应为吸热反应
B. 反应速率大小：va>vb
C. 50℃时，平衡常数K=
D. 增大压强，可以提高SiHCl3的平衡转化率，缩短达平衡的时间
【答案】D
【解析】选项A，升高温度，SiHCl3的平衡转化率增大，所以该反应为吸热反应，A正确。选项B，a点切线斜率较大，则反应速率大小：va＞vb，B正确。选项C，.50℃时，SiHCl3的转化率为21%，假设SiHCl3的起始浓度为2x mol/L，根据方程式不难算出，平衡常数K=，C正确。选项D，增大压强，平衡不移动，增大压强不能提高SiHCl3的平衡转化率，D错误。故选D。
16. 在298.15 K、100 kPa条件下，N2(g) +3H2 (g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1， N2 (g)、H2(g)和NH3(g)的比热容分别为29.1、28.9和35.6J·K-1·mol-1。一定压强下，1 mol反应中，反应物[N2(g) +3H2(g)]、生成物[2NH3(g)]的能量随温度T的变化示意图合理的是
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】合成氨反应是放热反应，反应物能量高于生成物能量，答案可能是A或B。当温度升高时，平衡逆向移动，放热减少，ΔH将增大，在A、B选项中，只有B符合。答案为B。
17．合成氨的温度和压强通常控制在约500 ℃以及20 MPa～50 MPa的范围，当进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3时，N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：
20 MPa
50 MPa
500 ℃
19.1
42.2
而实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数约为15%。请回答下列问题：
（1）298 K下合成氨时，每生成1 mol 氨气，同时放出46.2 kJ的热量，则该反应的热化学方程式为________________________________________________________________。
（2）若工业生产中N2和H2按投料比1∶2.8的比例进入合成塔，那么转化率较大的应该是____，采用此投料比的原因是____________________________________________，若从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数仍为15%，则N2和H2的转化率之比是________。
【答案】（1）N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
（2）H2 氮气在催化剂上的吸附活化是总反应中的控速步骤，适当提高氮气的浓度有利于合成氨反应的进行 2.8∶3
18．合成氨的原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
（1）将一定量的N2(g)和H2(g)放入1 L的密闭容器中，在500 ℃、2×107 Pa下达到平衡，平衡时测得N2为0.1 mol，H2为0.3 mol，NH3为0.1 mol。该条件下H2的转化率为________。计算此温度下该反应的平衡常数K＝________。
（2）欲提高H2的转化率，下列措施可行的是________。
a. 向容器中按原比例再充入原料气
b. 向容器中再充入惰性气体
c. 改变反应的催化剂
d. 液化生成物分离出氨
（3）在不同的条件下，测定合成氨反应的速率与时间的关系如图所示：
如果t2、t4、t6、t8时都仅改变了一个条件，可看出t2时刻的v正 ___v逆(填“>”、“=”或“<”)；t4时改变的条件是_______； 在t2时刻的H2转化率___t5时刻(填“>”、“=”或“<”)；t8时改变的条件是_______。
【答案】33.3% 3.7 ad < 降低压强 > 使用催化剂
【解析】(1)①达到平衡时NH3为0.1 mol，说明H2转化了0.15mol，因此开始时H2的物质的量为0.15mol+0.3mol=0.45mol，所以该条件下H2的转化率为×100%=33.3%；此温度下该反应平衡常数K===3.7；
③将图像补充完整即为： ，由图可知，t2时刻v正t5时刻；t8所改变条件使正逆反应速率同等程度增大，平衡不发生移动，所以改变的条件是加入了催化剂。
题组C 培优拔尖练
19. 已知合成氨反应N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g) △H＜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)
D. N点时 c(NH3)=0.2 mol/L，则 N点的c(N2): c(NH3)=1:1
【答案】D
【解析】选项A，正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小，而a点氨的体积分数最大，所以曲线a对应的反应温度最低，故A错误。选项B，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，Q点的温度低于N，所以K(Q)＞K(N)，故B错误。选项C，相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡消耗时间越短，c、b、a的温度依次降低，所以达到平衡消耗时间关系为a＞b＞c，故C错误。选项D，利用三段式不难计算，D是正确的。故选D
20．如图表示298 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题：
（1）若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。
（2）图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是________________________________________________________________________。
（3）合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。
A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃
【答案】(1)放热 92 (2)b 改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能 (3)D
21．（1）请认真观察下图，然后回答问题。
①该反应的ΔH =___________(用含E1、E2的代数式表示)。若向该反应中加入合适的催化剂，活化能___________(填“升高”“降低”或“不变”)，ΔH ___________(填“升高”“降低”或“不变”)
②若该图表示 ，该反应的活化能为，则其逆反应的活化能为___________。
（2）已知光照条件下，甲烷氯化反应是一个自由基型的取代反应。在链转移反应过程中，经历两步反应：(和分别表示甲基和氯原子)
反应1：
反应2：
各物质的相对能量变化如图所示。
①该链转移反应的反应速率由第___________步反应决定。
②由图可知，过渡态结构的稳定性：过渡态1___________过渡态2(填“<、>或=”)
【答案】（1）N2(g)+O2(g) = 2NO(g) ΔH = 68 kJ·mol－1
（2）(E2-E1)kJ·mol－1 降低 不变 127.8
（3） 1 <
22. 氮是地球上含量丰富的一种元素，氮元素的单质及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用。
（1）工业上利用N2和H2可以合成NH3，NH3又可以进一步制备肼(N2H4)等。已知：
N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝67.7kJ·mol－1
N2H4(g)＋O2(g)＝N2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－534.0kJ·mol－1
2NO2(g)N2O4(g) ΔH＝－52.7kJ·mol－1
写出气态肼在气态四氧化二氮中燃烧生成氨气和气态水的热化学方程式__________________；
（2）在固定体积密闭容器中，进行如下化学反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，其平衡常数K与温度T的关系如下表：
T／K
298
398
498
平衡常数K
4.1×105
K1
K2
①该反应的平衡常数表达式：K＝________；
②判断K1________K2(填写“＞”， “＝”或“＜”)；
③下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是________(填字母)．
a．v(N2)正＝3v(H2)逆
b．混合气体的密度保持不变
c．容器内压强保持不变
d．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1︰3︰2
e．N2和H2的转化率相等
f．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
（3）一定温度下，在1L密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2并发生反应．若容器容积恒定，10 min达到平衡时，气体的总物质的量为原来的3/4，则该温度下的化学平衡常数K＝________(保留两位小数)，以NH3表示该过程的反应速率v(NH3)＝________。
【答案】（1）2N2H4(g)＋N2O4(g)＝3N2(g)＋4H2O ΔH＝－1083.0kJ·mol－1
（2）① ②＞ ③ cf
（3）0.50(或50%) 0.1mol·L－1·min－1
【解析】（1）已知：①N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=67.7kJ•mol-1，②N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534.0kJ•mol-1，③2NO2(g) ⇌N2O4(g) ΔH＝－52.7kJ·mol－1，根据盖斯定律，②×2-①-③得2N2H4(g)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) 故△H=2×(-534.0kJ•mol-1)-67.7kJ•mol-1-(－52.7kJ•mol-1)=-1073.2kJ•mol-1，故热化学方程式为2N2H4(g)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1083kJ•mol-1。
（3）在1L密闭容器中，充入1mol N2和3mol H2，一定条件下发生合成氨反应，10min时达到平衡，依据平衡三段式列式，设氮气转化的物质的量为x，，平衡混合气体的总物质的量为原来的，则=，得到x=0.5mol，所以N2的转化率α(N2)=×100%=50%，c(NH3)===1mol/L，所以v(NH3)==0.1mol/(L•min)。
23. 1913年，德国化学家哈伯实现了合成氨的工业化生产，被称作解救世界粮食危机的化学天才．现将lmolN2和3molH2投入1L的密闭容器，在一定条件下，利用如下反应模拟哈伯合成氨的工业化生产：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ∆H＜0．当改变某一外界条件(温度或压强)时，NH3的体积分数ψ(NH3)变化趋势如图所示．
回答下列问题：
(1)已知：①NH3(l)═NH3(g) ∆H1，②N2(g)+3H2(g)2NH3(l) ∆H2；则反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的∆H=_____________(用含∆H1、∆H2的代数式表示)；
(2)合成氨的平衡常数表达式为____________，平衡时，M点NH3的体积分数为10%，则N2的转化率为____________(保留两位有效数字)\；
(3)X轴上a点的数值比b点____________(填“大”或“小”)。上图中，Y轴表示____________(填“温度”或“压强”)，判断的理由是____________；
(4)若将1 mol N2和3 mol H2分别投入起始容积为1L的密闭容器中，实验条件和平衡时的相关数据如表所示：
容器编号
实验条件
平衡时反应中的能量变化
Ⅰ
恒温恒容
放热Q1kJ
Ⅱ
恒温恒压
放热Q2kJ
Ⅲ
恒容绝热
放热Q3kJ
下列判断正确的是____________；
A．放出热量：Ql＜Q2＜∆Hl B．N2的转化率：Ⅰ＞Ⅲ
C．平衡常数：Ⅱ＞Ⅰ D．达平衡时氨气的体积分数：Ⅰ＞Ⅱ
【答案】（1） 2∆H1+∆H2
（2） 18%
（3）小 温度 随Y值增大，φ(NH3)减小，平衡N2(g)+3H2(g) ⇌2NH3(g) ∆H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度
（4）AB
【解析】（1）已知：①NH3(l)⇌NH3(g) ∆H1，②N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(l) ∆H2，根据盖斯定律，①×2+②可得：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，故∆H=2∆H1+∆H2；
（4）选项A，I为恒温恒容，随反应进行压强减小，Ⅱ为恒温恒压，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ，放出热量：Ql＜Q2，故A符合题意。选项B，Ⅲ为恒容绝热，随反应进行温度升高，I为恒温恒容，Ⅲ等效为在I的基础上升高温度，平衡逆向移动，N2的转化率：I＞III，故B符合题意。选项C，平衡常数只受温度影响，温度相同，平衡常数相同，则平衡常数：II=I，故C不符合题意。选项D，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，则达平衡时氨气的体积分数：I＜II，故D不符合题意。故答案为AB。
2.4.2 工业合成氨的生产流程
学习聚焦
知识精讲
知识点01 合成氨的工业生产步骤
1．造气
（1）氮气：合成氨所需要的氮气都取自空气。
从空气中制取氮气通常有两种方法：一是将空气液化、蒸发，分离出氮气；二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。
（2）氢气：氢气则来源于水和碳或碳氢化合物反应。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为：H2O+CH4 CO+3H2，H2O + CO CO2+ H2
2．净化
在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中的某些杂质（如 H2S、CO等）会使合成氨所用的催化剂“中毒”，所以必须除去。
3．合成
净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂作用下合成氨（如图）。
从合成塔出来的混合气体，通常约含15%(体积分数)的氨，把反应后的混合气体通过冷凝器使氨液化而分离，再把分离出来的气体经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。
【即学即练1】下列关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B．合成氨反应需在低温下进行
C．对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D．使用催化剂可以提高反应速率
【答案】B
知识点02 工业合成氨工艺流程
原料气的制取→净化→压缩→合成→→液氨
【即学即练2】合成氨工业有下列生产流程 ：①原料气制备；②氨的合成；③原料气的净化和压缩 ；④氨的分离。其先后顺序为（ ）
A. ①②③④ B. ①③②④ C. ④③②① D. ②③④①
【答案】B
常见考法
常见考法一 工业生成氨的生产流程
【例1】对于工业合成氨，回答下列问题：
（1）工业合成氨造气时，理论上，1 mol CH4能生成多少摩尔氢气？
（2）工业上一般用K2CO3溶液吸收CO2，并且可实现循环利用，用相应的化学方程式说明之。
（3）原料气净化的目的是什么？
（4）如图所示的是合成氨的简要流程示意图，图中沿X路线到压缩机的物质是( )
A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2
【答案】（1）4 mol
（2）K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，2KHCO3K2CO3+CO2↑+H2O
（3）防止催化剂中毒 （4）A
【解析】（1）CH4先与H2O反应生成CO和H2，CO在催化剂的作用下继续与H2O反应生成CO2和H2，反应总方程式为：CH4+2H2O = CO2+4H2。
必杀技
1．合成氨的工业生产主要包括造气、净化、合成三个步骤。
2．原料气中氮气来自空气，氢气来自水与碳或碳氢化合物的反应。
3．原料气进入氨合成塔之前需净化，目的是防止催化剂中毒。
4．从合成塔出来的混合气体中分离出液氨后，剩余的气体（N2和H2）要循环使用。
【同步练习】哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流程图，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
常见考法二 实验室模拟合成氨
【例2】有人设计了如下装置模拟工业合成氨（图中夹持装置均已略去）。
[实验操作]
① 检查实验装置的气密性后，关闭弹簧夹a、b、c、d、e。在A中加入锌粒，向长颈漏斗注入一定量稀硫酸。打开弹簧夹c、d、e，则A中有氢气发生。在F出口处收集氢气并检验其纯度。
② 关闭弹簧夹c，取下截去底部的细口瓶C，打开弹簧夹a，将氢气经导管B验纯后点燃，然后立即罩上无底细口瓶C，塞紧瓶塞，如图所示。氢气继续在瓶内燃烧，几分钟后火焰熄灭。
③ 用酒精灯加热反应管E，继续通氢气，待无底细口瓶C内水位下降到液面保持不变时，打开弹簧夹b，无底细口瓶C内气体经D进入反应管E，片刻后F中的溶液变红。
回答下列问题：
（1）检验氢气纯度的目的是 。
（2）C瓶内水位下降到液面保持不变时，A装置内发生的现象是 ，防止了实验装置中压强过大。C瓶内气体的成份是 。
（3）在步骤③中，先加热铁催化剂的原因是 。
【答案】（1）防止H2和空气混合气体在E处受热时爆炸。
（2）酸会流回长颈漏斗中，和Zn脱离，使反应停止 N 2和H2
（3）铁触煤在较高温度时活性增大，加快氨合成的反应速率。
必杀技
1．无论工业上还是实验室，用N2和H2反应生成NH3的反应都是可逆反应。
2．NH3极易溶于水，其水溶液呈碱性。
3．检验NH3的生成，一般使用酚酞试液，或挥发性酸（如浓盐酸）。
【同步练习】实验室模拟合成氨的流程如下：
已知实验室可用饱和亚硝酸钠(NaNO2)溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。
（1）从上图中选择制取气体的合适装置：氮气______、氢气_____。
（2）氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还可以________________、_______________________________。
（3）混合气体通过甲装置后，通过一个装有铁催化剂的高温装置后，气体的成分为 。
【答案】（1）a b
（2）干燥混合气 通过观察气泡控制N2和H2的通入比例
（3）N2、H2、NH3
常见考法二 以合成氨为载体的综合考查
【例3】氨气是一种重要的化工产品，在生产和科研中应用广泛，氨气是工业合成氨的原料之一，工业上制取氨气有下列两种途径：
途径一，用水和天然气作原料一步反应制得。
途径二，用煤和水作原料经多步反应制得。
请回答下列问题：
（1）途径一反应的还原产物是______。
（2）途径二中的一步反应为：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH<0
①上述反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是______（填写序号）。
A. 增大压强 B. 降低温度 C. 增大H2O(g)的浓度 D. 使用催化剂
②已知1000K时，上述反应的平衡常数K=0.627，若要使CO的转化率超过90%，则起始时c(H2O)：c(CO)不低于______。
（3）目前常用氨气处理硝酸生产的工业尾气，在左右且有催化剂存在的情况下，氨气能把还原成无色无毒气体，直接排入空气中，已知氢气的燃烧热为286 kJ·mol-1
试写出氨气与反应生成无毒气体和液态水的热化学方程式 。
【答案】（1）氢气； （2）①BC ②13.8
（3）4NH3(g)+6NO(g) = 5N2(g)+6H2O(l) ΔH = - 2071.2 kJ·mol-1
必杀技
这类题目往往是化学反应的能量变化、化学反应的方向、限度、速率的综合考查。
【同步练习】利用天然气为原料的一种工业合成氨简式流程如下图：
（1）步骤Ⅱ中制氢气的原理如下：
Ⅰ．CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) K1
Ⅱ．CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) K2
则反应CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) ；K=______ （用含K1、K2 的代数式表示）。
（2）合成氨的反应原理为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。在容积为 10L 的密闭容器中进行，起始时充入0.2 mol N2、0.6 mol H2反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如下图所示。
①实验 a 从开始至平衡时的反应速率v(H2) ______；实验 c 中N2 的平衡转化率 αc为______。
②与实验 a 相比，其他两组改变的实验条件是：b______，c______。
③M点的逆反应速率v逆______ N点的正反应速率v正（填“＞”、“＜”或“=”）；N点时再加入一定量NH3，平衡后H2的体积分数______ （填“增大”、“减小”或“不变”）。
【答案】（1）K1﹒K2
（2）5×10-4 mol·L-1·min-1 50% 使用催化剂 增大压强 ＜ 增大
分层提分
题组A 基础过关练
1. 化学家发明了一种合成氨的新方法．在常压下，用多孔钯多晶薄膜的催化将氢气和氮气转化为氨气。以下有关叙述正确的是（ ）
A. 增加氮气的量能提高氢气的转化率
B. 升高温度有利于氨气的合成
C. 采用冷水降温的方法将合成混合气体中的氨气液化
D. 此法与哈伯法合成氨工艺相近
【答案】A
【解析】选项A，两种物质反应时，增大一种物质的浓度，可以提高另一物质的转化率，A正确。选项B，温度过高，平衡会逆向移动，也可能影响催化剂的活性，B错。选项C，常压下，氨的液化温度低于水的熔点，冷水不会把氨液化，C错。选项D，哈伯法合成氨是在高温、高压、铁催化剂条件下进行的，而此法是在常压下进行的，二者的工艺差别较大，D错。答案为A。
2．合成氨所需要的H2可由煤和水反应制得：
(1)H2O(g)＋C(s) CO(g)＋H2(g) ΔH>0
(2)CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH<0
工业生产中，欲提高CO的转化率，所采用的下列措施最佳组合是( )
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H2O(g)的浓度
A．①⑤ B．②③ C．②④⑤ D．③⑤
【答案】A
3．比较合成氨合成塔与制硫酸接触室中的反应，下列说法错误的是
A．都使用了合适的催化剂
B．都选择了较高的温度
C．都选择了较高的压强
D．都未按化学方程式的系数进行投料反应
【答案】C
【解析】工业合成氨的压强是高压，而硫酸工业的压强是常压，所以选项C说法错误。
4．根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（ ）
A．研制耐高压的合成塔 B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂 D．探索不用H2和N2合成氨的新途径
【答案】C
【解析】现在合成氨工业主要选择高温、高压、铁催化剂，条件较为苛刻，选项C是方向。
5．可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，500 ℃时在容积为10 L的密闭容器中进行，开始时加入1 mol N2和6 mol H2，则达到平衡时，NH3的浓度不可能达到
A. 0.1 mol·L-1 B. 0.2 mol·L-1 C. 0.05 mol·L-1 D. 0.15 mol·L-1
【答案】B
【解析】N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，依据极值法计算分析，若氮气和氢气全部反应则：1molN2和6mol氢气反应，根据化学方程式计算可知，氢气过量，氮气全部反应生成氨气物质的量为2mol，c(NH3)=2 mol/10 L = 0.2 mol/L，因为反应是可逆反应，不可能进行彻底，所以反应过程中生成的氨气浓度小于0.2 mol/L，选项中A、C、D有可能生成，而B不能达到，故选B。
6．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
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
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
【答案】B
【解析】选项A中催化剂不能使平衡移动。选项B中加压可使合成氨反应正向移动。选项C中高温不利于合成氨，只能加快反应速率，另外，500 ℃左右铁触媒活性最大。选项D中，循环使用，不涉及平衡移动问题。答案为B.
7．在工业合成氨的工艺流程中，制得的N2、H2混合气体送入氨合成塔中之前必须进行净化除杂，净化的主要目的是
A．提高转化率 B．便于进行热交换
C．防止催化剂中毒 D．防止损坏设备
【答案】C
【解析】净化与否对反应混合气体的热交换和合成氨的转化率基本上没有影响，A、B不正确；某些杂质对设备有一定的腐蚀作用，但最主要的是杂质可使催化剂中毒，影响合成氨的进行，所以净化的主要目的是防止催化剂中毒，C项符合题意。答案为C.
8．合成氨工业上，采用氮氢循环操作的主要目的是
A．加快反应速率 B．提高氨气的平衡浓度
C．降低氨气的沸点 D．提高氮气和氢气的利用率
【答案】D
9. 关于合成氨工业的说法错误的是（ ）
A. 合成氨工业采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率
B. 工业上一般选择400-500℃的主要原因是让铁催化剂的活性大，反应速率快
C. 从合成氨的原理出发，增大压强既有利于加快速率又有利于平衡右移，但压强增大设备成本大幅度提升，所以实际工业中往往采用常压
D. 为了防止催化剂中毒，原料气需要经过净化
【答案】C
【解析】选项A，合成氨的转化率不高，所以需循环操作，A说法正确。选项B，400-500℃时，铁催化剂的活性最强，B说法正确。选项C，合成氨工业采用的压强是20 ～ 50 MPa，不是常压，C说法错误。答案为C。
10．工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·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见下表：
气体
氮气
氢气
氨
熔点/℃
－210.01
－259.77
－77.74
沸点/℃
－195.79
－252.23
－33.42
回答：
(1)写出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)K值越大，表明________(填字母)。
A．其他条件相同时N2的转化率越高
B．其他条件相同时NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高
D．化学反应速率越快
(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到________使________分离出来；继续循环的气体是________。
【答案】(1) 减小 (2)AB (3)－33.42 ℃ 氨 N2和H2
题组B 能力提升练
11. 下列说法正确的是( )
A. 增大反应物浓度，可增大活化分子百分数，从而使有效碰撞次数增多
B. 有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，可增大活化分子的百分数，从而使反应速率增大
C. 升高温度能使反应速率增大，主要原因是增加了反应物分子浓度
D. 使用正催化剂能增大活化分子百分数，从而显著地增大化学反应速率
【答案】D
【解析】选项A，增大反应物浓度，增大单位体积内活化分子个数，但活化分子百分数不变，故A错误。选项B，有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，可增大单位体积内活化分子的个数，但活化分子百分数不变，故B错误。选项C，升高温度，使部分非活化分子转化为活化分子，所以增大活化分子百分数，反应速率增大，故C错误。选项D，加入正催化剂，降低活化分子所需活化能，所以能增大活化分子百分数，反应速率加快，故D正确。故选D。
12．下列事实符合化学平衡移动原理的是
①Cl2在饱和食盐水中的溶解度比纯水中小
②降温有利于N2和H2反应生成NH3
③可以用浓氨水和浓氢氧化钠溶液或固体来制取氨气
④加催化剂有利于合成氨的反应
⑤工业上生产硫酸的过程中，使用过量的空气以提高二氧化硫的利用率
⑥500℃左右的温度比室温更有利于合成氨的反应
A. ①②③④⑤⑥ B. ①②③⑤ C. ①②③⑤⑥ D. ①②③④⑥
【答案】B
【解析】在饱和食盐水中抑制氯气的溶解，则其溶解度比纯水中小，故正确；
此反应为放热反应，降温有利于和反应生成，故正确；
生成物浓度减小，平衡正向移动，可以用浓氨水和浓氢氧化钠溶液或固体来制取氨气，故正确；
加催化剂可以使反应速率加快，但平衡不移动，故错误；
工业上生产硫酸的过程中，使用过量的空气使平衡正向移动以提高二氧化硫的利用率，故正确；
合成氨的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，但左右的温度比室温更有利于合成氨反应，不能用平衡移动原理解释，故错误。
13. 已知可逆反应X(g)＋2Y(g) Z(g) ΔH ＜0，一定温度下，在体积为2 L的密闭容器中加入4 mol Y和一定量的X后，X的浓度随时间的变化情况如图所示，则下列说法正确的是
A. 若向该容器中加入1molX、2molY，达平衡时，X的平衡浓度小于0.125mol/L
B. a点正反应速率大于逆反应速率
C. 反应达平衡时，降低温度可以实现c到d的转化
D. 该条件下，反应达平衡时，平衡常数K=3
【答案】B
【解析】选项A，根据图像可知，在反应开始时加入2 mol X 、4 mol Y，二者的物质的量的比是1:2，若向该容器中加入1 mol X、2 mol Y，二者的物质的量的比也是1:2，该反应是反应前后气体体积相等的反应，所以改变压强，化学平衡不发生移动，则当达到平衡时X的浓度是原来的1/2，c(X)=0.125mol/L，错误。
选项B，根据题意可知反应从正反应方向开始，到c点时达到化学化学平衡，此时正反应速率与逆反应速率相等，所以在达到平衡前的a点，正反应速率大于逆反应速率，正确。
选项C，反应达平衡时，降低温度化学平衡向放热的正反应方向移动，反应物的浓度会降低，所以不可能实现c到d的转化，错误。
选项D，该条件下，反应达平衡时，平衡常数，各种物质的浓度分别是c(X)=0.25mol/L，c(Y)=0.5mol/L，c(Z)=0.75mol/L，所以该反应的化学平衡常数K= c(Z)÷[c(X)×c2(Y)]= 0.75÷[0.25×0.52]=12，错误。
14. 室温下，向圆底烧瓶中加入1 mol C2H5OH 和含 1 mol HBr的氢溴酸，溶液中发生反应；C2H5OH+HBrC2H5Br+H2O，充分反应后达到平衡。已知常压下，C2H5Br 和C2H5OH 的沸点分别为 38.4℃和 78.5℃。下列有关叙述错误的是
A. 加入NaOH，可增大乙醇的物质的量
B. 增大HBr 浓度，有利于生成 C2H5Br
C. 增大C2H5OH 的浓度，HBr 的转化率提高
D. 若起始温度提高至 60℃，可缩短反应达到平衡的时间
【答案】D
【解析】选项A，加入NaOH，中和HBr，平衡逆向移动，可增大乙醇的物质的量，故A正确。选项B，增大HBr浓度，平衡正向移动，有利于生成C2H5Br，故B正确。选项C，增大C2H5OH的浓度，平衡正向移动，HBr的转化率提高，故C正确。选项D，若起始温度提高至60℃，考虑到HBr易挥发，温度升高化学反应速率加快，而反应物浓度减小能使化学反应速率变慢，故不一定能缩短到达平衡的时间，故D错误。答案选D。
15. 三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料，在催化剂作用下可发生反应：2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g) + SiCl4(g)，在50℃和70℃时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
下列叙述不正确的是
A. 该反应为吸热反应
B. 反应速率大小：va>vb
C. 50℃时，平衡常数K=
D. 增大压强，可以提高SiHCl3的平衡转化率，缩短达平衡的时间
【答案】D
【解析】选项A，升高温度，SiHCl3的平衡转化率增大，所以该反应为吸热反应，A正确。选项B，a点切线斜率较大，则反应速率大小：va＞vb，B正确。选项C，.50℃时，SiHCl3的转化率为21%，假设SiHCl3的起始浓度为2x mol/L，根据方程式不难算出，平衡常数K=，C正确。选项D，增大压强，平衡不移动，增大压强不能提高SiHCl3的平衡转化率，D错误。故选D。
16. 在298.15 K、100 kPa条件下，N2(g) +3H2 (g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1， N2 (g)、H2(g)和NH3(g)的比热容分别为29.1、28.9和35.6J·K-1·mol-1。一定压强下，1 mol反应中，反应物[N2(g) +3H2(g)]、生成物[2NH3(g)]的能量随温度T的变化示意图合理的是
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】合成氨反应是放热反应，反应物能量高于生成物能量，答案可能是A或B。当温度升高时，平衡逆向移动，放热减少，ΔH将增大，在A、B选项中，只有B符合。答案为B。
17．合成氨的温度和压强通常控制在约500 ℃以及20 MPa～50 MPa的范围，当进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3时，N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：
20 MPa
50 MPa
500 ℃
19.1
42.2
而实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数约为15%。请回答下列问题：
（1）298 K下合成氨时，每生成1 mol 氨气，同时放出46.2 kJ的热量，则该反应的热化学方程式为________________________________________________________________。
（2）若工业生产中N2和H2按投料比1∶2.8的比例进入合成塔，那么转化率较大的应该是____，采用此投料比的原因是____________________________________________，若从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数仍为15%，则N2和H2的转化率之比是________。
【答案】（1）N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
（2）H2 氮气在催化剂上的吸附活化是总反应中的控速步骤，适当提高氮气的浓度有利于合成氨反应的进行 2.8∶3
18．合成氨的原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
（1）将一定量的N2(g)和H2(g)放入1 L的密闭容器中，在500 ℃、2×107 Pa下达到平衡，平衡时测得N2为0.1 mol，H2为0.3 mol，NH3为0.1 mol。该条件下H2的转化率为________。计算此温度下该反应的平衡常数K＝________。
（2）欲提高H2的转化率，下列措施可行的是________。
a. 向容器中按原比例再充入原料气
b. 向容器中再充入惰性气体
c. 改变反应的催化剂
d. 液化生成物分离出氨
（3）在不同的条件下，测定合成氨反应的速率与时间的关系如图所示：
如果t2、t4、t6、t8时都仅改变了一个条件，可看出t2时刻的v正 ___v逆(填“>”、“=”或“<”)；t4时改变的条件是_______； 在t2时刻的H2转化率___t5时刻(填“>”、“=”或“<”)；t8时改变的条件是_______。
【答案】33.3% 3.7 ad < 降低压强 > 使用催化剂
【解析】(1)①达到平衡时NH3为0.1 mol，说明H2转化了0.15mol，因此开始时H2的物质的量为0.15mol+0.3mol=0.45mol，所以该条件下H2的转化率为×100%=33.3%；此温度下该反应平衡常数K===3.7；
③将图像补充完整即为： ，由图可知，t2时刻v正
题组C 培优拔尖练
19. 已知合成氨反应N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g) △H＜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)
D. N点时 c(NH3)=0.2 mol/L，则 N点的c(N2): c(NH3)=1:1
【答案】D
【解析】选项A，正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小，而a点氨的体积分数最大，所以曲线a对应的反应温度最低，故A错误。选项B，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，Q点的温度低于N，所以K(Q)＞K(N)，故B错误。选项C，相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡消耗时间越短，c、b、a的温度依次降低，所以达到平衡消耗时间关系为a＞b＞c，故C错误。选项D，利用三段式不难计算，D是正确的。故选D
20．如图表示298 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题：
（1）若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。
（2）图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是________________________________________________________________________。
（3）合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。
A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃
【答案】(1)放热 92 (2)b 改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能 (3)D
21．（1）请认真观察下图，然后回答问题。
①该反应的ΔH =___________(用含E1、E2的代数式表示)。若向该反应中加入合适的催化剂，活化能___________(填“升高”“降低”或“不变”)，ΔH ___________(填“升高”“降低”或“不变”)
②若该图表示 ，该反应的活化能为，则其逆反应的活化能为___________。
（2）已知光照条件下，甲烷氯化反应是一个自由基型的取代反应。在链转移反应过程中，经历两步反应：(和分别表示甲基和氯原子)
反应1：
反应2：
各物质的相对能量变化如图所示。
①该链转移反应的反应速率由第___________步反应决定。
②由图可知，过渡态结构的稳定性：过渡态1___________过渡态2(填“<、>或=”)
【答案】（1）N2(g)+O2(g) = 2NO(g) ΔH = 68 kJ·mol－1
（2）(E2-E1)kJ·mol－1 降低 不变 127.8
（3） 1 <
22. 氮是地球上含量丰富的一种元素，氮元素的单质及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用。
（1）工业上利用N2和H2可以合成NH3，NH3又可以进一步制备肼(N2H4)等。已知：
N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝67.7kJ·mol－1
N2H4(g)＋O2(g)＝N2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－534.0kJ·mol－1
2NO2(g)N2O4(g) ΔH＝－52.7kJ·mol－1
写出气态肼在气态四氧化二氮中燃烧生成氨气和气态水的热化学方程式__________________；
（2）在固定体积密闭容器中，进行如下化学反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，其平衡常数K与温度T的关系如下表：
T／K
298
398
498
平衡常数K
4.1×105
K1
K2
①该反应的平衡常数表达式：K＝________；
②判断K1________K2(填写“＞”， “＝”或“＜”)；
③下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是________(填字母)．
a．v(N2)正＝3v(H2)逆
b．混合气体的密度保持不变
c．容器内压强保持不变
d．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1︰3︰2
e．N2和H2的转化率相等
f．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
（3）一定温度下，在1L密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2并发生反应．若容器容积恒定，10 min达到平衡时，气体的总物质的量为原来的3/4，则该温度下的化学平衡常数K＝________(保留两位小数)，以NH3表示该过程的反应速率v(NH3)＝________。
【答案】（1）2N2H4(g)＋N2O4(g)＝3N2(g)＋4H2O ΔH＝－1083.0kJ·mol－1
（2）① ②＞ ③ cf
（3）0.50(或50%) 0.1mol·L－1·min－1
【解析】（1）已知：①N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=67.7kJ•mol-1，②N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534.0kJ•mol-1，③2NO2(g) ⇌N2O4(g) ΔH＝－52.7kJ·mol－1，根据盖斯定律，②×2-①-③得2N2H4(g)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) 故△H=2×(-534.0kJ•mol-1)-67.7kJ•mol-1-(－52.7kJ•mol-1)=-1073.2kJ•mol-1，故热化学方程式为2N2H4(g)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1083kJ•mol-1。
（3）在1L密闭容器中，充入1mol N2和3mol H2，一定条件下发生合成氨反应，10min时达到平衡，依据平衡三段式列式，设氮气转化的物质的量为x，，平衡混合气体的总物质的量为原来的，则=，得到x=0.5mol，所以N2的转化率α(N2)=×100%=50%，c(NH3)===1mol/L，所以v(NH3)==0.1mol/(L•min)。
23. 1913年，德国化学家哈伯实现了合成氨的工业化生产，被称作解救世界粮食危机的化学天才．现将lmolN2和3molH2投入1L的密闭容器，在一定条件下，利用如下反应模拟哈伯合成氨的工业化生产：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ∆H＜0．当改变某一外界条件(温度或压强)时，NH3的体积分数ψ(NH3)变化趋势如图所示．
回答下列问题：
(1)已知：①NH3(l)═NH3(g) ∆H1，②N2(g)+3H2(g)2NH3(l) ∆H2；则反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的∆H=_____________(用含∆H1、∆H2的代数式表示)；
(2)合成氨的平衡常数表达式为____________，平衡时，M点NH3的体积分数为10%，则N2的转化率为____________(保留两位有效数字)\；
(3)X轴上a点的数值比b点____________(填“大”或“小”)。上图中，Y轴表示____________(填“温度”或“压强”)，判断的理由是____________；
(4)若将1 mol N2和3 mol H2分别投入起始容积为1L的密闭容器中，实验条件和平衡时的相关数据如表所示：
容器编号
实验条件
平衡时反应中的能量变化
Ⅰ
恒温恒容
放热Q1kJ
Ⅱ
恒温恒压
放热Q2kJ
Ⅲ
恒容绝热
放热Q3kJ
下列判断正确的是____________；
A．放出热量：Ql＜Q2＜∆Hl B．N2的转化率：Ⅰ＞Ⅲ
C．平衡常数：Ⅱ＞Ⅰ D．达平衡时氨气的体积分数：Ⅰ＞Ⅱ
【答案】（1） 2∆H1+∆H2
（2） 18%
（3）小 温度 随Y值增大，φ(NH3)减小，平衡N2(g)+3H2(g) ⇌2NH3(g) ∆H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度
（4）AB
【解析】（1）已知：①NH3(l)⇌NH3(g) ∆H1，②N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(l) ∆H2，根据盖斯定律，①×2+②可得：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，故∆H=2∆H1+∆H2；
（4）选项A，I为恒温恒容，随反应进行压强减小，Ⅱ为恒温恒压，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ，放出热量：Ql＜Q2，故A符合题意。选项B，Ⅲ为恒容绝热，随反应进行温度升高，I为恒温恒容，Ⅲ等效为在I的基础上升高温度，平衡逆向移动，N2的转化率：I＞III，故B符合题意。选项C，平衡常数只受温度影响，温度相同，平衡常数相同，则平衡常数：II=I，故C不符合题意。选项D，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，则达平衡时氨气的体积分数：I＜II，故D不符合题意。故答案为AB。
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