高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡第四节 化学反应的调控课时练习

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1.下列有关合成氨工业的说法正确的是 ( )
A.N2的量越多,H2的转化率越大,因此,充入的N2越多越有利于NH3的合成
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.工业合成氨的反应是熵增的放热反应,在任何温度下都可自发进行
D.工业合成氨的反应是熵减的放热反应,在低温时可自发进行
解析:投料比为n(N2)∶n(H2) =1∶2.8时,更有利于NH3的合成,A项错误;恒容条件下,充入稀有气体对平衡无影响,B项错误;ΔH-TΔS<0时反应能自发进行,而合成氨反应的ΔH<0,ΔS<0,故在低温条件下该反应能自发进行,C项错误,D项正确。
答案:D
2.在合成氨工业中,为了提高NH3的日产量,实施下列措施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700 K左右的高温而不是900 K的高温
D.采用10 MPa~30 MPa的压强
解析:把氨分离出来可以减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,相对较低温度(700 K)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三项都符合平衡移动原理;使用催化剂仅能改变反应速率,与平衡移动无关。
答案:B
3.(2022·广东梅州高二期末)化学反应的调控对于工业生产具有积极意义,下列关于调控措施的说法错误的是 ( )
A.硫酸工业中,为提高SO2的转化率,通入的空气越多越好
B.工业合成氨,从生产实际条件考虑,不盲目增大反应压强
C.工业合成氨,考虑催化剂的活性选择400~500 ℃的反应温度
D.炼铁高炉的进风口设置在下端有利于燃料充分利用
解析:在实际生产中为了增大SO2的转化率通入稍过量的空气,若空气通入量过多,不仅会增大能源消耗,还会增大动力消耗,对设备的要求也高,A项错误;工业合成氨,从生产实际条件考虑,不盲目增大反应压强,若压强过大,不仅会增大能源消耗,还会增大动力消耗,对设备的要求也高,B项正确;工业合成氨,400~500 ℃时催化剂的活性最大,有利于提高反应速率,提高氨的产量,故选择400~500 ℃的反应温度,C项正确;炼铁高炉的进风口设置在下端,固体从设备顶部加入,有助于固体和气体充分接触,有利于燃料充分利用,D项正确。
答案:A
4.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<0,673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.P点处反应达到平衡
B.Q点(t1时刻)和E点(t2时刻)处n(N2)不同
C.其他条件不变,773 K下反应至t1时刻,n(H2)比图中的Q点的值要大
D.M点的正反应速率比 N点的正反应速率小
解析:P点是氢气和氨的物质的量相等的点,该点以后,氢气的量还在减少,氨的量还在增加,故P点没有达到平衡,A项错误;t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态,体系中各物质的物质的量不再变化,故Q、E两点氮气的物质的量相等,B项错误; 773 K>673 K,工业合成氨为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,氢气的物质的量增大,C项正确;反应达到平衡前,M点反应物浓度大于N点反应物浓度,因此M点的正反应速率比N点的正反应速率大,D项错误。
答案:C
5.德国化学家哈伯发明了一种低成本制造大量氨的方法。哈伯法的流程图如图所示,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:②④⑤操作均有利于提高原料转化率。
答案:B
6.工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯:CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g),在容积固定的密闭容器中,投入等物质的量的CH3OH和CO,测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.增大压强,甲醇转化率增大
B.B点反应速率v正=v逆
C.平衡常数:K(75 ℃)>K(85 ℃);反应速率:vBD.生产时反应温度控制在80~85 ℃为宜
解析:CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g)的正反应是气体体积减小的反应,增大压强,平衡向正反应方向移动,甲醇的转化率增大,故A项正确;由题图可知,随着温度的升高,CO的转化率先增大后减小,在相同时间内,约83 ℃时反应达到平衡,B点时反应没有达到平衡,仍向正反应方向进行,则v正>v逆,故B项错误;达到平衡后,升高温度,CO转化率降低,平衡逆向移动,平衡常数减小,则K(75 ℃)>K(85 ℃),温度越高反应速率越大,因此vB答案:B
7.合成氨工业的原料气中含有少量CO,CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒),因此,在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO,反应如下:Cu(NH3)2Ac(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]Ac(aq) ΔH<0
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的适宜生产条件是 。
(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,醋酸铜氨溶液再生的适宜生产条件是 。
解析: (1)醋酸二氨合铜吸收CO的反应为气体体积减小的放热反应,降低温度或增大压强,平衡向吸收CO的方向移动,故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反,应采用高温、低压作为生产条件。
答案: (1)低温、高压 (2)高温、低压
【拓展提高】
8.(2022·江苏泰州高二期末)用ZSM-5分子筛催化1-丁烯裂解制丙烯的反应体系中,主要发生的反应如下。
反应Ⅰ:3C4H8(g)4C3H6(g) ΔH=+579 kJ/ml
反应Ⅱ:C4H8(g)2C2H4(g) ΔH=+283 kJ/ml
已知催化剂ZSM-5分子筛的筛孔径越小,越有利于生成碳原子数少的产物。在0.5 MPa下,上述体系平衡时丁烯、丙烯、乙烯的质量分数与温度的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.图中曲线x表示丁烯的质量分数随温度的变化
B.在0.5 MPa下,该工艺选择的适宜温度为300 ℃
C.C4H8(g)+C2H4(g)2C3H6(g)的 ΔH=+296 kJ/ml
D.高于500 ℃,丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在ZSM-5分子筛的筛孔上所致
解析:由图可知,曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系,曲线y为丁烯的质量分数与温度的关系,300 ℃时,乙烯的质量分数最小,丙烯的质量分数最大,当温度高于500 ℃时,催化剂的活性降低导致丙烯质量分数降低。由分析可知,曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系,故A项错误;由分析可知,在0.5 MPa下,500 ℃时,丙烯的质量分数最大,则生成丙烯的适宜温度为500 ℃,故B项错误;由盖斯定律可知,Ⅰ-Ⅱ2得反应C4H8(g)+C2H4(g)2C3H6(g),则ΔH=(+579 kJ/ml)-(+283 kJ/ml)2=+148 kJ/ml,故C项错误;因为催化剂 ZSM-5 分子筛的筛孔径越小,越有利于生成碳原子数少的产物。当温度高于500 ℃时,丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在 ZSM-5 分子筛的筛孔上所致,故D项正确。
答案:D
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如图所示,据图回答下列问题。
(1)若反应中生成2 ml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,铁触媒能增大反应速率的原理是 。
(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c对应的温度为500 ℃,则曲线d对应的温度可能
是 (填字母)。
A.600 ℃ B.550 ℃ C.500 ℃ D.450 ℃
(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生的反应为CH4(g)+H2O (g) CO(g)+3H2(g) ΔH>0。一定温度下,在容积为1 L的密闭容器中发生上述反应,各物质的物质的量浓度变化如下表:
①表中x= ;前2 min内CH4的反应速率为 。
②反应在3~4 min时,氢气的物质的量增多的原因可能是 (填字母)。
A.充入水蒸气 B.升高温度
C.使用催化剂 D.充入氢气
解析: (1)由图中能量状态可知,N2与H2具有的总能量高于NH3所具有的能量,故该反应为放热反应,并且反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),每生成2 ml NH3放出(600-508) kJ=92 kJ热量。(2)合成氨反应中,加入铁触媒后,由于改变了反应历程,使反应的活化能降低,从而增大了反应速率,故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应,当其他条件不变时,升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中,当压强不变时,曲线d对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线c对应的NH3的体积分数,所以曲线d对应的温度低于曲线c对应的温度。(4)①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)=13v(H2)=13×0.3ml/L2min=0.05 ml/(L·min)。由表分析2~
3 min时,反应达到平衡状态,此时生成H2的浓度为0.3 ml/L。
CH4(g)+H2O (g)CO(g)+3H2(g)
0min浓度(ml/L) 0.2 0.3 0 0
2min浓度(ml/L) 0.1 0.2 0.1 0.3
3min浓度(ml/L) 0.1 0.2 0.1 0.3
4min浓度(ml/L) 0.09 0.19 0.11 0.33
所以x=0.11。
②3 min时,若充入水蒸气,平衡向右移动,4 min时,水蒸气浓度应大于0.2 ml/L;若升高温度,平衡向右移动,反应物浓度均减小,生成物浓度均增加,而且变化量正好等于化学计量数之比,该条件符合要求;使用催化剂,平衡不移动;充入H2,平衡向左移动,CH4、H2O的浓度均大于
3 min 时的浓度。
答案: (1)放热 92 (2)b 催化剂改变了反应的历程,降低了合成氨反应的活化能 (3)D (4)①0.11
0.05 ml/(L· min) ②B
【挑战创新】
10.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。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,生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压强 1.0×105 Pa、反应时间3 h)。
相应的热化学方程式为N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+32O2(g) ΔH=+765.2 kJ/ml
回答下列问题。
(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率较小。请提出可增大其反应速率且增大NH3生成量的建议: 。
(2)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为 2.0 L的密闭容器中充入0.60 ml N2(g)与1.60 ml H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为47。则:
①该条件下N2的平衡转化率为 。
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为 。
③根据合成氨反应的特点分析,当前比较有前途的研究发展方向
是 (填字母)。
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与N2合成氨的新途径
解析: (2)①设反应过程中消耗x ml N2(g)。
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始量/ml 0.60 1.60 0
变化量/ml x 3x 2x
平衡量/ml 0.60-x 1.60-3x 2x
平衡时反应体系总物质的量=[(0.60-x)+(1.60-3x)+2x] ml=(2.20-2x) ml,NH3(g)的物质的量分数为2xml(2.20-2x)ml=47,解得x=0.40,N2的平衡转化率为×100%≈66.7%。②设此时反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为K。平衡时,c(NH3)=2×0.402 ml/L=
0.40 ml/L,c(N2)=0.60-0.402 ml/L=0.10 ml/L,c(H2)=1.60-3×0.402 ml/L=
0.20 ml/L,因此,K=c(N2)·c3(H2)c2(NH3)=5.0×10-3。
答案: (1)升温、增大N2浓度 (2)①66.7%
②5.0×10-3 ③C
tmin
CH4(ml/L)
H2O(ml/L)
CO(ml/L)
H2(ml/L)
0
0.2
0.3
0
0
2
n1
n2
n3
0.3
3
n1
n2
n3
0.3
4
0.09
0.19
x
0.33
T/K
303
313
323
353
NH3生成量/×10-6ml
4.8
5.9
6.0
2.0