2022年高二化学选修2寒假练习：02合成氨的反应原理 Word版含解析

02合成氨的反应原理

基础夯实

1.下列过程属于氮的固定的是(　　)

A.闪电下N2与O2反应生成NO

B.NO2溶于水生成HNO3

C.工业上用NH3制造尿素[CO(NH2)2]

D.NH3与Cl2反应生成N2和HCl

解析：A项,N2转化为NO,属于氮的固定;NO2→HNO3,NH3→CO(NH2)2均为由含氮化合物转化为含氮化合物的过程,不是氮的固定;NH3→N2,含氮化合物转化为N2,不属于氮的固定。

答案：A

2.哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2,在一定条件下使该反应发生,有关说法正确的是(　　)

N2+3H22NH3

A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3

B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等

C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化

D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零

解析：合成氨反应为可逆反应,故氮气、氨气不能完全转化,化学平衡是动态平衡,达到平衡时正、逆反应速率相等,但是不为零。

答案：C

3.合成氨时采用500 ℃左右的温度,主要因为该温度时 (　　)

A.合成氨的化学反应速率最大

B.氮气的平衡转化率最高

C.铁触媒的活性最大

D.氨在平衡混合物中的体积分数最大

解析：温度越高,化学反应速率越大,A项错;合成NH3的反应在低温时N2的转化率越大,B项错;工业合成NH3采用500 ℃左右的温度主要是此时催化剂活性最大,C项对;500 ℃时NH3在平衡混合物中的体积分数不一定最大,D项错。

答案：C

4.德国科学家格哈德·埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖,以奖励他在表面化学领域作出的贡献。合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高,就是埃尔特的研究成果。下列关于合成氨反应的叙述中,不正确的是(　　)             

A.铁作催化剂可加快反应速率,但不能使合成氨的化学平衡移动

B.将氨从混合气中分离,有利于化学平衡向合成氨的方向移动

C.升高温度可以加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

D.增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

解析：催化剂可以改变化学反应速率,但不能使平衡移动,只能缩短反应达到平衡的时间,A项正确;将氨从混合气中及时地分离出来,可加快反应速率,且有利于化学平衡正向移动,B项正确;升高温度能加快反应速率,但合成氨反应是一个放热反应,因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动,C项错;合成氨的反应是一个气体体积减小的反应,因此增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向着合成氨的方向移动,D项正确。

答案：C

5.有关合成氨工业说法中正确的是(　　) 

A.从合成塔出来的混合气体,其中NH3只占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低

B.由于氨易液化,N2、H2是循环使用的,总体来说氨的产率较高

C.合成氨反应温度控制在400~500 ℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动

D.合成氨采用的压强是10~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大

解析：由于采用循环操作,故氨的产率较高;控制温度在400~500 ℃是综合考虑反应速率、平衡移动和催化剂的活性温度;采用压强10~30 MPa目的是获得较快的速率、较高的产率以及考虑动力、设备等因素。

答案：B

6.合成氨的温度和压强通常控制在约500 ℃以及1×107~3×107 Pa的范围,且进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3。经科学实验测定,在相应条件下N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:

而实际从合成塔出来的混合气体中含氨约为15%,这表明(　　)

A.表中所测数据有明显的误差

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

解析：含氨约为15%,小于19.1%,因此N2、H2的转化率仍很低,反应正在向着生成氨的方向进行,表明合成塔中的反应并未达到平衡。

答案：D

7.在一定条件下,将10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是              (　　)

A.15% B.30% C.35% D.75%

解析：对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3.0 mol。

事实上,N2完全转化是不可能的,因而消耗H2的物质的量小于3.0 mol,故H2的最大转化率为:

α最大(H2)<×100%=30%

故A项正确。

答案：A

能力提升

8.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道: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,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压强为1.0×105 Pa、反应时间3 h):             

相应的热化学方程式如下:

N2(g)+3H2O(l)2NH3(g)+O2(g)

ΔH=+765.2 kJ·mol-1

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慢。请提出可提高其反应速率且增大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 L的密闭容器中充入0.6 mol N2(g)和1.6 mol 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。计算:

①该条件下N2的平衡转化率;

②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数。

解析：(1)该反应正反应是吸热反应,升高温度,使化学平衡向正反应方向移动,从而增大NH3的生成量,升高温度也能提高反应速率;增大反应物N2的浓度,能加快反应速率,并使化学平衡向右移动;不断移出生成物,使平衡向右移动,增大NH3的生成量。

(2)由三段式法计算可知,起始时:c(N2)=0.3 mol·L-1,平衡时:c(N2)=0.1 mol·L-1;c(H2)=0.2 mol·L-1;c(NH3)=0.4 mol·L-1。

①所以N2的平衡转化率=[(0.6-0.2)mol÷0.6 mol]×100%≈66.7%;

②反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数K==0.005。

答案：(1)升高温度,增大反应物N2的浓度,不断移出生成物

(2)①该条件下N2的平衡转化率:66.7%;

②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为0.005。