人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控课后测评

第四节　化学反应的调控

基础过关练

题组一　合成氨条件的选择

1.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,下列各项中采用的三种方法都正确的是(　　)

A.升高温度,减小压强,增加氮气的量

B.降低温度,增大压强,加入催化剂

C.升高温度,增大压强,增加氮气的量

D.降低温度,增大压强,分离出部分氨气

2.(2020上海金山一模)工业生产氨气的适宜条件中不包括(　　)

A.用浓硫酸吸收产物

B.用铁触媒作催化剂

C.温度为400~500 ℃

D.压强为10~30 MPa

3.(2020福建三明三地三校高二上期中)工业合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,一般采用770 K左右的温度,其原因是(　　)

①提高H2的转化率　②适当提高氨的合成速率　③提高氨的产率　④催化剂在700 K左右时活性最大

A.只有① B.②④

C.②③④ D.①②

4.(2019安徽宣城高二下期末)如图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率采取的措施是(深度解析)

A.①②③ B.①③⑤

C.②④⑤ D.②③④

5.对于合成氨的反应来说,使用催化剂和加压,下列叙述中正确的是(　　)

A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响

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,而加压无此作用

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

题组二　化学反应的调控

7.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:

2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

下列叙述错误的是(　　)

A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率

B.反应需在300 ℃下进行可推测该反应一定是吸热反应

C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率

D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率

8.(2020广东深圳高二上期末)纳米钴常作为CO加氢反应的催化剂:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH<0。下列说法正确的是(　　)

A.纳米技术的应用,优化了催化剂的性能,提高了反应的转化率

B.缩小容器容积,平衡向正反应方向移动,CO的浓度增大

C.从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率

D.工业生产中采用高温条件,其目的是提高CO的平衡转化率

9.目前工业上利用甲烷催化裂解生产不含一氧化碳和二氧化碳的清洁氢气。该过程多用铁、钴和镍等过渡金属纳米催化剂:CH4(g) C(s)+2H2(g),已知温度升高,甲烷的平衡转化率增大。下列有关说法不正确的是(　　)

A.甲烷裂解属于吸热反应

B.在反应体系中加催化剂,反应速率增大

C.增大体系压强,不能提高甲烷的转化率

D.在1 500 ℃以上时,甲烷的转化率很高,但几乎得不到C,是因为该反应为放热反应

10.在硫酸的工业生产中,通过下列反应使SO2转化为SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0。已知常压下平衡混合气体中SO3的体积分数为91%,回答下列问题:

(1)在工业生产中常通入过量的空气是为了　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)加热到400~500 ℃是由于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)压强应采用　　　(填“高压”或“常压”)。原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)常用浓H2SO4来吸收SO3,而不用水,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(5)尾气中的SO2必须回收,是因为　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

能力提升练

题组一　合成氨条件的选择

1.(双选)(2019河南省实验中学高二上期中,)在一定条件下,对于在密闭容器中进行的合成氨的反应,下列说法正确的是(　　)

A.当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时,达到平衡时氨的体积分数最大

B.增加铁触媒的接触面积,不可能提高合成氨工厂的年产量

C.达到平衡时,氢气和氨气的浓度比一定为3∶2

D.分别用氮气和氢气来表示合成氨反应的反应速率时,数值大小不相同

2.(2020四川成都期末,)德国化学家哈伯在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图,下列说法错误的是(　　)

A.增大压强既可以加快反应速率,又可以提高原料转化率

B.升高温度既可以加快反应速率,又可以提高平衡转化率

C.冷却过程中采用热交换有助于节约能源

D.原料循环使用可提高其利用率

3.(2020河南顶级名校高二上月考,)2018年是哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)+H2(g) NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe的催化作用下的反应历程如下(*表示吸附态):

化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*。

表面反应:N*+H* NH*;NH*+H* NH2*;NH2*+H* NH3*。

脱附:NH3* NH3(g)。

其中,N2的吸附分解反应活化能高、反应速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答下列问题:

(1)有利于提高合成氨平衡产率的条件有　　　　。 

A.低温　B.高温　C.低压　D.高压　E.催化剂

(2)实际生产中,常用铁触媒作催化剂,控制温度为773 K左右,压强为3.0×107 Pa左右,原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由　                                                        ; 　                                                                      。 

(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是　　　　。 

A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零

B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率

C.NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行

D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和发生安全事故

题组二　化学反应的调控

4.(2020湖北荆州沙市中学高二上期末,)COCl2(g) CO(g)+Cl2(g)　ΔH>0。当反应达到平衡时,下列措施能提高COCl2转化率的是(　　)

A.降温

B.增大CO的浓度

C.恒容通入惰性气体

D.恒压通入惰性气体

5.()常压下羰基化法精炼镍的原理为Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)。230 ℃时,该反应的平衡常数K=2×10-5。已知:Ni(CO)4的沸点为42.2 ℃,固体杂质不参与反应。

第一阶段:将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4;

第二阶段:将第一阶段反应后的气体分离出来,加热至230 ℃制得高纯镍。

下列判断不正确的是(　　)

A.该反应达到平衡时,v分解[Ni(CO)4]=4v消耗(CO)

B.第一阶段应选择稍高于42.2 ℃的反应温度

C.第二阶段,230 ℃时Ni(CO)4分解率较高

D.其他条件不变,增大c(CO),平衡正向移动,该反应的平衡常数不变

6.()已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0的实验数据如下表:

(1)应选择的温度是　　　　,理由是　                 　。 

(2)应采用的压强是　　　　,理由是　                      　。 

(3)在合成SO3的过程中,不需要分离出SO3的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)生产中通入过量空气的目的是　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案全解全析

基础过关练

1.D　要使氢气的转化率增大,需使平衡向正反应方向移动,根据合成氨反应的特点,正反应为放热反应,需降低温度;正反应为反应后气体总体积减小的反应,需增大压强;另外还可及时分离出部分氨气,以减小生成物浓度,促使平衡正向移动,故D项正确。

2.A　工业生产中,要求反应速率快,转化率高,从反应速率方面考虑应选择高效催化剂、升高温度,从转化率方面考虑应选择较高的压强,所以B、C、D都是工业生产氨气的适宜条件。

3.B　工业合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,正反应为放热反应,温度越低原料转化率越高,但是低温下反应速率较小,为提高氨的合成速率,温度不能太低,且催化剂在770 K左右时活性最大,综合考虑转化率和反应速率,一般采用700 K左右的温度。

4.C　工业合成氨的化学方程式为N2+3H2 2NH3,是可逆反应,反应后气体体积减小,反应放热;依据合成氨的流程图,其中加压,平衡向气体体积减小的方向进行,提高反应物的转化率;液化分离出氨气,促进平衡正向进行,提高反应物的转化率;氮气和氢气的循环使用,也可提高原料的转化率。

反思升华　合成氨反应中,反应物的转化率并不高,如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应是很不经济的,应将NH3分离后的原料气循环使用,并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度。

5.C　对于反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),催化剂只能降低反应的活化能,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。加压能提高反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间,能使化学平衡向生成NH3的方向移动。

6.B　催化剂不影响化学平衡,A项错误;合成氨反应是放热反应,在低温下转化率高,合成氨工业采用500 ℃左右的温度是综合考虑了反应速率、转化率及催化剂的活性,C项错误;采用循环操作提高原料利用率不能用勒夏特列原理解释,D项错误。

7.B　使用催化剂可加快反应速率,从而提高生产效率,A项正确;加热可以加快化学反应速率,放热反应也可能在加热条件下进行,B项错误;充入大量CO2气体可使平衡正向移动,提高H2的转化率,C项正确;从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可促使平衡正向移动,从而提高CO2和H2的利用率,D项正确。

8.B　催化剂可加快反应速率,但不能使平衡发生移动,A错误;该反应的正反应是气体体积减小的反应,缩小容器的容积,平衡向正反应方向移动,但CO的浓度增大,B正确;从平衡体系中分离出H2O(g),达到新的平衡,正、逆反应速率比原平衡慢,C错误;该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,反应物转化率会降低,工业生产中采用高温条件,能提高化学反应速率,缩短达到平衡所需要的时间,D错误。

9.D　根据温度升高,甲烷的平衡转化率增大,可知甲烷裂解属于吸热反应,A正确,D错误;催化剂能加快化学反应速率,B正确;甲烷发生裂解,反应后气体体积增大,故增大压强,平衡向逆反应方向移动,C正确。

10.答案　(1)增大O2的浓度,使平衡正向移动,提高SO2的转化率,使成本高的SO2得到充分利用

(2)400~500 ℃是催化剂活性温度,选择此温度可以提高反应速率,缩短达到平衡的时间

(3)常压　常压下,平衡混合气体中SO3的体积分数已达91%,若再加压,对设备动力系统要求高,成本高

(4)用水吸收易形成酸雾,吸收效果差

(5)SO2是有毒气体,避免对环境造成污染

解析　在硫酸的工业生产中,运用化学平衡原理选择适宜的反应条件,要综合考虑浓度、压强、温度、催化剂等对该反应的反应速率、转化率的影响,同时还要考虑工业生产的实际情况和生产成本。硫酸工业中2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,该反应的正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,增大压强,平衡正向移动,题中实验数据表明,常压下该反应的转化率较大,结合反应的实际和工业生产的实际情况以及SO2和SO3的性质解答该题。

能力提升练

1.AD　当氮气和氢气投料比为1∶3时,v(N2)∶v(H2)=1∶3,两种原料的转化率相同,故达到平衡时氨的体积分数最大,A正确;增加铁触媒的接触面积,加快反应速率,可以提高合成氨工厂的年产量,B错误;平衡时,H2和NH3的浓度比不一定为3∶2,C错误;同一反应中,反应速率之比等于对应物质的化学计量数之比,因氮气和氢气的化学计量数不同,则反应速率的数值不同,D正确。

2.B　增大压强可以加快合成氨的反应速率,平衡正向移动,可以提高原料转化率,A正确;合成氨反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,降低平衡转化率,B错误;冷却过程中采用热交换有助于节约能源,C正确;原料循环使用,可提高其利用率,D正确。

3.答案　(1)AD　

(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率　N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,适度过量有利于提高整体反应速率

(3)ACD

解析　(1)N2(g)+H2(g) NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是反应后气体体积减小的放热反应,低温有利于平衡正向移动,提高平衡产率,A正确、B错误;低压平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,C错误、D正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高平衡产率,E错误。

(2)原料气中N2相对易得,增加氮气的量有利于提高H2的转化率;N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,氮气适度过量有利于提高整体反应速率。

(3)N2(g)+H2(g) NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是反应后气体体积减小的放热反应,该反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A正确;当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,总压强增大,反应物和生成物的浓度不变,平衡不移动,不能提高平衡转化率,B错误;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得到的,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和发生安全事故,D正确。

4.D　该反应的ΔH>0,为吸热反应,降温平衡逆向移动,COCl2转化率减小;增大CO的浓度,平衡逆向移动,COCl2转化率减小;恒容通入惰性气体,平衡不移动,转化率不变;恒压通入惰性气体,反应体系的压强减小,平衡正向移动,COCl2转化率增大。

5.A　同一化学反应中,反应速率之比等于对应物质的化学计量数之比,该反应达到平衡时,应满足4v分解[Ni(CO)4]=v消耗(CO),A错误;第一阶段得到气态Ni(CO)4,应选择稍高于42.2 ℃的反应温度,B正确;230 ℃时可得到高纯镍,说明此时Ni(CO)4分解率较高,C正确;通常情况下,平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,D正确。

6.答案　(1)450 ℃　该反应是放热反应,升高温度,反应物转化率降低;在450 ℃反应物转化率较高

(2)1×105 Pa　常压下SO2的转化率已经很高,若采用较大的压强,SO2的转化率提高很少,但对设备的要求更高

(3)SO2的转化率比较高,达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少,故不需要分离出SO3

(4)增大O2浓度,提高SO2的转化率

解析　选择合适的生产条件要从反应速率、平衡转化率、经济效益等方面综合考虑。