鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨综合训练题

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1．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
ΔH＝－92.4kJ·ml－1，达到平衡后，以下分析正确的是( )
A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
2．N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＜0，向容器中通入1mlN2和3mlH2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是( )
①降低温度
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A.①④B．①②
C.②③D．③④
3．工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是( )
A.都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
B.都对平衡状态有影响，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，只有加压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，而加压无此作用
4．下列说法中正确的是( )
A.合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是催化剂在500℃左右时的活性最大
B.在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保
C.工业合成氨的反应是ΔH＜0、ΔS＜0的反应，在任何温度下都可自发进行
D.在合成氨反应中，为提高H2的转化率，充入的N2越多越好
5．利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率所采取的措施是( )
A.高温B．高压
C.使用催化剂D．增大N2的浓度
6．将N2和H2的混合气体通入合成塔中，反应1小时达到平衡以后，N2、H2、NH3的浓度分别为3ml·L－1、7ml·L－1、4ml·L－1，则下列结果不正确的是( )
A.v(H2)始＝7ml·L－1·h－1
B.c0(H2)＝13ml·L－1
C.c0(N2)＝5ml·L－1
D.H2的转化率为46.2%
7．(双选)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) ΔH＜0，673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.c点处反应达到平衡
B.d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
C.其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大
D.a点的正反应速率比b点的大
8．工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)反应的图像中，错误的是( )
[能力提升练]
9．已知合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
ΔH＜0，工业上选择的适宜条件为500℃、铁做催化剂、20～50MPa。下列叙述中正确的是( )
A.铁做催化剂可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
B.将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
C.升高温度可以加快反应速率，所以工业生产中尽可能提高温度
D.增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
10．已知：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4kJ·ml－1。起始反应物为N2和H2，物质的量之比为1∶3，且总物质的量不变，在不同压强和温度下，反应达到平衡时，体系中NH3的物质的量分数如下表：
下列说法正确的是( )
A.体系中NH3的物质的量分数越大，则正反应速率越大
B.反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比均为1
C.反应达到平衡时，放出的热量均为92.4kJ
D.600℃、30MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多
11．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4kJ·ml－1，据此回答以下问题：
(1)①该反应的化学平衡常数表达式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡常数越________。
(2)某温度下，若把10mlN2与30mlH2置于容积为10L的恒容密闭容器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20%。则该温度下反应的平衡常数K＝________(可用分数表示)。能说明该反应达到化学平衡状态的是________(填字母)。
a.容器内的密度保持不变
b.容器内压强保持不变
c.v正(N2)＝2v逆(NH3)
d.混合气体中c(NH3)不变
(3)对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是________(填字母)。
(4)相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1mlN2和3mlH2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中NH3的体积分数为a，放出热量Q1kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量Q2kJ。则：a________b(填“＞”“＝”或“＜”，下同)，Q1________92.4。
12．人工固氮是目前研究的热点。Haber－Bsch合成NH3法是以铁为主要催化剂、在400～500℃和10～30MPa的条件下，由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反应生成17gNH3时放出46kJ热量，写出该反应的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)我国科学家研制出一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到350℃、1MPa，该催化剂对工业生产的意义是
________________________________________________________________________。
(3)在2L恒容密闭容器中，按投料比eq \f(n（H2）,n（N2）)分别为1∶1、2∶1、3∶1进行反应，相同时间内测得N2的转化率与温度、投料比的关系如图所示(不考虑催化剂失活)。
①曲线Ⅰ表示投料比eq \f(n（H2）,n（N2）)＝________。某温度下，曲线Ⅰ对应反应达到平衡时N2的转化率为x，则此时混合气体中NH3的体积分数为________(用含x的数学式表示)。
②下列有关图像的分析中错误的是________(填字母)。
A.投料比越大，H2的平衡转化率越大
B.T＜T0，投料比一定时，升高温度，反应速率增大
C.T＞T0，投料比一定时，升高温度，平衡向左移动
D.T＞T0，投料比一定时，升高温度，反应速率减小
13．科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。
Ⅰ.合成氨的原理为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4kJ·ml－1。
(1)在恒容密闭容器中发生上述反应，下列描述中能说明该反应已达平衡状态的是________。
A.容器内气体的平均摩尔质量保持不变
B.2v正(NH3)＝v逆(N2)
C.容器中气体的压强保持不变
D.N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3
(2)673K、30MPa下，向容积为2.0L的恒容密闭容器中充入0.80mlN2和1.60mlH2，反应经3分钟达到平衡，此时NH3的体积分数为20%。
①该条件下反应：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)的平衡常数K＝________(精确到小数点后一位)；K越大，表明反应达到平衡时________。
A.H2的转化率一定越高
B.NH3的浓度一定越大
C.正反应进行得越完全
D.化学反应速率越大
②若达平衡后再向该容器中充入0.40mlN2和0.40mlNH3，该平衡将________(填“向正反应方向移动”“向逆反应方向移动”或“不移动”)。
Ⅱ.根据“人工固氮”的最新研究报道，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应：2N2(g)＋6H2O(l)⇌4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝akJ·ml－1。进一步研究NH3生成量与温度的关系，常压下达到平衡时测得部分实验数据如表：
(1)此合成反应的a________0，ΔS________0。(填“＞”“＜”或“＝”)
(2)已知(K为平衡常数)：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) K1，2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) K2，则N2(g)＋3H2O(l)===2NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)的K＝________(用K1、K2表示)。
课时作业14 化学反应条件的优化——工业合成氨
1．解析：合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，说明温度对逆反应的反应速率影响较大，故A错误；反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，所以压强对正反应速率影响较大，故B正确；减小反应物浓度，平衡逆向移动，正反应速率瞬间减小，对正反应的反应速率影响较大，故C错误；加入催化剂，对正、逆反应速率影响相同，故D错误。
答案：B
2．解析：①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2，相当于增大压强，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；③增加NH3的物质的量，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低；④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低；故选B。
答案：B
3．解析：合成氨的正反应为气体体积减小的放热反应，增大压强平衡正向移动，也能加快反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间；加入催化剂，能加快反应速率、缩短达到平衡状态所用的时间，对平衡的移动没有影响，故选C。
答案：C
4．解析：合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是催化剂在500℃左右时的活性最大，故A正确；在工业生产条件优化时，不能只考虑经济而不考虑环保，故B错误；工业合成氨反应的ΔH＜0、ΔS＜0，ΔH－TΔS＞0时，反应不能自发进行，所以该反应不能在很高的温度下进行，故C错误；过多的氮气会带走热量，不利于反应的进行，故D错误。
答案：A
5．答案：B
6．答案：A
7．答案：CD
8．解析：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。
答案：C
9．解析：催化剂只改变化学反应速率，不影响平衡移动，所以Fe做催化剂能加快反应速率，但平衡不移动，故A错误；将氨从混合气体中分离出来，生成物浓度减小，反应速率减慢，平衡正向移动，故B错误；升高温度，化学反应速率加快，但平衡逆向移动，故C错误；增大压强，平衡正向移动，反应速率加快，故D正确。
答案：D
10．解析：分析表中数据可知，在其他条件相同时，NH3的物质的量分数随温度升高而减小，随压强增大而增大，而反应速率随温度升高而增大，随压强增大而增大，故体系中NH3的物质的量分数最大时，正反应速率不是最大，A错误；因起始时反应物N2和H2的物质的量之比为1∶3，而反应时消耗的N2和H2的物质的量之比也为1∶3，故反应达到平衡时，N2和H2的转化率相等，B正确；由热化学方程式可知，1mlN2(g)与3mlH2(g)完全转化为2mlNH3(g)时放出的热量才为92.4kJ，不同条件下生成NH3的物质的量不相等，则放出的热量不相等，C错误；分析表中数据可知，400℃、30MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多，D错误。
答案：B
11．解析：(1)①根据化学方程式可写出化学平衡常数表达式K＝eq \f(c eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(平)) （NH3）,c平（N2）×c eq \\al(\s\up1(3),\s\d1(平)) （H2）)；②合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小。
(2)设转化的氮气的浓度为xml·L－1，列三段式：
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
起始浓度(ml·L－1) 130
转化浓度(ml·L－1) x3x2x
平衡浓度(ml·L－1) 1－x3－3x2x
反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20%，即eq \f(2x,1－x＋3－3x＋2x)×100%＝20%，解得x＝eq \f(1,3)，则K＝eq \f(c eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(平)) （NH3）,c平（N2）×c eq \\al(\s\up1(3),\s\d1(平)) （H2）)＝eq \f(（\f(2,3)ml·L－1）2,\f(2,3)ml·L－1×（2ml·L－1）3)＝eq \f(1,12)(ml·L－1)－2。容器容积不变，气体质量不变，所以容器内的密度始终保持不变，a错误；容器容积不变，反应前后气体物质的量不相等，所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，b正确；v正(N2)＝2v逆(NH3)，正、逆反应速率不相等，说明反应未达到平衡状态，c错误；混合气体中c(NH3)不变，说明各组分浓度都不变，反应达到平衡状态，d正确。
(3)先出现拐点的先达到平衡状态，则T2>T1，温度升高，平衡逆向移动，NH3的体积分数减小，a正确；平衡时各物质浓度不一定相等，b错误；使用催化剂可加快反应速率，但对平衡无影响，平衡时物质的转化率不变，c正确。
(4)相对于A来说，B相当于加压，平衡正向移动，氨气的体积分数变大，所以a答案：(1)①K＝eq \f(c2平（NH3）,c平（N2）×c eq \\al(\s\up1(3),\s\d1(平)) （H2）) ②小
(2)eq \f(1,12)(ml·L－1)－2 bd (3)ac (4)＜ ＜
12．解析：(1)17gNH3的物质的量是eq \f(17g,17g·ml－1)＝1ml，生成1mlNH3时放出46kJ热量，则生成2ml氨气放出的热量是92kJ，所以该反应的热化学方程式是N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92kJ·ml－1。
(2)研制一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到350℃、1MPa，对工业生产的意义是节能、降低生产成本等。
(3)①在相同的温度下，投料比越大，氮气的转化率越高，则曲线Ⅰ表示投料比eq \f(n（H2）,n（N2）)＝3∶1，设H2、N2的初始物质的量分别为3ml、1ml，利用“三段式”法：
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
起始物质的量(ml) 130
转化物质的量(ml) x3x2x
平衡物质的量(ml) 1－x3－3x2x
所以混合气体中NH3的体积分数为eq \f(2x,1－x＋3－3x＋2x)＝eq \f(x,2－x)。
②投料比越大，H2的平衡转化率越小，故A错误；同一投料比达到平衡时氮气的转化率最大，平衡之前，升高温度，化学反应速率增大，故B正确；投料比一定时，平衡之后，由于该反应是放热反应，所以升高温度，平衡逆向移动，故C正确；升高温度，化学反应速率增大，故D错误。
答案：(1)N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92kJ·ml－1
(2)节能、降低生产成本(答案合理即可)
(3)①3∶1 eq \f(x,2－x) ②AD
13．解析：Ⅰ.(1)该反应中所有物质均为气体，故气体的质量不变，该反应为反应前后气体体积改变的反应，由eq \x\t(M)＝eq \f(m,n总)可知，随着反应的进行，容器内气体的平均摩尔质量是变量，当容器内气体的平均摩尔质量不变时，可说明该反应达到了化学平衡状态，A正确；2v正(NH3)＝v逆(N2)不满足物质所对应化学计量数的比，该反应未达到化学平衡状态，B错误；该反应在恒容密闭容器中进行，因该反应为反应前后气体体积改变的反应，随着反应的进行，容器中气体的压强会发生变化，当容器内气体的压强保持不变时，可说明该反应达到了化学平衡状态，C正确；因缺少相关数据，当容器内N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3时，不能判断反应是否达到化学平衡状态，D错误。
(2)①设N2反应了xml·L－1，则
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
起始浓度(ml·L－1)
转化浓度(ml·L－1) x3x2x
平衡浓度(ml·L－1) 0.4－x0.8－3x2x
平衡时NH3的体积分数为eq \f(2x,0.4－x＋0.8－3x＋2x)＝0.2，解得x＝0.1，平衡常数K＝eq \f(（0.2ml·L－1）2,0.3ml·L－1×（0.5ml·L－1）3)≈1.1(L·ml－1)2。氢气的转化率与氮气、氢气的投入量等有关，K越大，氢气的转化率不一定越高，A错误；生成氨气的量与氮气、氢气的投入量等有关，K越大，氨气的浓度不一定越大，B错误；K越大，表示反应进行的程度越大，即正反应进行得越完全，C正确；K越大，表示反应进行的程度越大，但反应速率不一定越大，D错误。②平衡后再向该容器中充入0.40mlN2和0.40mlNH3，则瞬间c(N2)＝0.5ml·L－1，c(NH3)＝0.4ml·L－1，c(H2)＝0.5ml·L－1浓度商Q＝eq \f(（0.4ml·L－1）2,0.5ml·L－1×（0.5ml·L－1）3)＝2.56(L·ml－1)2＞K，故平衡将向逆反应方向移动。Ⅱ.(1)由题表中数据可知，升高温度，平衡正向移动，故该反应的正反应为吸热反应，a>0；该反应的正反应为熵增反应，故ΔS>0。
(2)①N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) K1
②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) K2
①－eq \f(3,2)×②可得N2(g)＋3H2O(l)===2NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)，故K＝eq \f(K1,K\s\up6(\f(3,2))2)。
答案：Ⅰ.(1)AC (2)①1.1 (L·ml－1)2 C ②向逆反应方向移动
Ⅱ.(1)＞ ＞ (2)eq \f(K1,K\s\up6(\f(3,2))2)
温度
物质的量分数
压强
400℃
450℃
500℃
600℃
20MPa
0.387
0.274
0.189
0.088
30MPa
0.478
0.359
0.260
0.129
T/K
303
313
323
NH3的生成量/(10－6ml)
4.8
5.9
6.0