2019教案 化学选修4化学反应原理（鲁科版）试题：第2章第4节化学反应条件的优化——工业合成氨 Word版含解析.pdf

第第 2 章章 化学反应的方向、限度与速率化学反应的方向、限度与速率 第第 4 节节 化学反应条件的优化工业 合成氨 化学反应条件的优化工业 合成氨 1 对于合成氨反应， 对于合成氨反应， N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H0， 达到 平衡后，以下分析正确的是 ， 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加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 解析：解析：A.升高温度正逆反应速率都增大，平衡向逆反应方向移动， 说明温度对逆反应速率影响较大； 升高温度正逆反应速率都增大，平衡向逆反应方向移动， 说明温度对逆反应速率影响较大；B.增大压强，平衡正向移动，则压 强对正反应速率影响较大； 增大压强，平衡正向移动，则压 强对正反应速率影响较大；C.减小反应物浓度，逆反应速率不变；减小反应物浓度，逆反应速率不变；D. 加入催化剂，对正逆反应速率影响相同。加入催化剂，对正逆反应速率影响相同。 答案：答案：B 2下列措施既能加快工业合成氨的速率，又能增大该反应的反应 物转化率的是 下列措施既能加快工业合成氨的速率，又能增大该反应的反应 物转化率的是( ) A缩小容器容积 缩小容器容积 B移走移走 NH3 C提高反应温度提高反应温度 D使用催化剂使用催化剂 解析：解析：A 项，缩小容器容积，可以加快反应速率，平衡正向移动， 增大反应物的转化率，故符合题意； 项，缩小容器容积，可以加快反应速率，平衡正向移动， 增大反应物的转化率，故符合题意；B 项，移走项，移走 NH3，反应速率减小， 平衡正向移动，反应物的转化率增大，故不符合题意； ，反应速率减小， 平衡正向移动，反应物的转化率增大，故不符合题意；C 项，提高反 应温度，反应速率加快，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，故不 项，提高反 应温度，反应速率加快，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，故不 符合题意；符合题意；D 项，使用催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，不能 提高反应物的转化率，故不符合题意。 项，使用催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，不能 提高反应物的转化率，故不符合题意。 答案：答案：A 3接触法制硫酸工艺中，其主要反应接触法制硫酸工艺中，其主要反应 2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H0，在，在 450 并有催化剂存在条件下建立平衡，为使该 反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是 并有催化剂存在条件下建立平衡，为使该 反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是( ) A及时分离出及时分离出 SO3气体气体 B选择高效的催化剂选择高效的催化剂 C适当升高温度适当升高温度 D增大增大 O2的浓度的浓度 解析：解析：增大增大 O2浓度可加速反应的进行，并使平衡向正反应方向移 动。 浓度可加速反应的进行，并使平衡向正反应方向移 动。 答案：答案：D 4 下表的实验数据是在不同温度和压强下， 平衡混合物中 下表的实验数据是在不同温度和压强下， 平衡混合物中 NH3含 量的变化情况。 含 量的变化情况。 达到平衡时混合物中达到平衡时混合物中 NH3的含量为的含量为(体积分数体积分数)入料入料 V(N2)V(H2) 13： 不同压强下不同压强下 NH3的含量的含量/% 温度温度/ 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 20015.381.586.489.995.498.8 3002.252.064.271.084.292.6 4000.425.138.247.065.279.8 (1)比较比较 200 和和 300 时的数据，可判断升高温度，平衡向时的数据，可判断升高温度，平衡向 _方向移动，正反应方向为方向移动，正反应方向为_(填“吸热”或“放热”填“吸热”或“放热”)反反 应。应。 (2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是_。 A高温高压 高温高压 B高温低压高温低压 C低温高压低温高压 D低温低压低温低压 (3)计算计算 500 ，30 MPa 时时 N2的转化率的转化率_。 (4)实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取 了一些措施。请写出其中的一个措施： 实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取 了一些措施。请写出其中的一个措施： _。 解析：解析：(3) N2 3H22NH3 起始起始 1 3 0 转化转化 n 3n 2n 平衡平衡 1n 33n 2n ××100%26.4% 2 2n n （ （1n） ）（ （33n） ）2n n0.417 7 故故 N2的转化率为×的转化率为×100%41.77%。 0 0. .4 41 17 7 7 7 1 1 答案：答案：(1)左左(或逆反应或逆反应) 放热 放热 (2)C (3)41.77% (4)加入过量的加入过量的 N2(或及时从平衡混合物中移走或及时从平衡混合物中移走 NH3) 时间：时间：40 分钟分钟 A 级 基础巩固级 基础巩固 基础题基础题 1在密闭容器中，合成氨的反应在密闭容器中，合成氨的反应 N23H22NH3，现将，现将 2 mol N2和和 2 mol H2通入该容器中反应，通入该容器中反应，20 s 后生成后生成 0.8 mol 的的 NH3， 则则 H2的转化率是多少的转化率是多少( ) A70% B60% C50% D40% 解析：解析：本题可以依据“三段式”法列式计算。设经过本题可以依据“三段式”法列式计算。设经过 20 s N2转化 了 转化 了 x mol，则有：，则有： N2 3H2 2NH3 起始： 起始： 2 mol 2 mol 0 转化：转化： x mol 3x mol 2x mol 20 s 后：后： (2x) mol (23x) mol 2x mol 根据题意根据题意 20 s 后生成后生成 0.8 mol 的的 NH3，则有，则有 2x0.8 mol，x0.4 mol，所以，所以 H2的转化率是：的转化率是： ××100%60%。 3 3 ×× 0 0. .4 4 m mo ol l 2 2 m mo ol l 答案：答案：B 2某温度下，发生反应某温度下，发生反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H92.4 kJ·mol 1， ，N2的平衡转化率的平衡转化率()与体系总压强与体系总压强(p)的关系如图所示。下列 说法正确的是 的关系如图所示。下列 说法正确的是( ) A将将 1 mol N2和和 3 mol H2置于置于 1 L 密闭容器中发生反应，放出 的热量为 密闭容器中发生反应，放出 的热量为 92.4 kJ B平衡状态由平衡状态由 A 到到 B 时，平衡常数时，平衡常数 K(A)K(B) C上述反应在达到平衡后，增大压强，上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大的转化率增大 D升高温度，平衡常数升高温度，平衡常数 K 增大增大 解析：解析：该反应为可逆反应，加入的该反应为可逆反应，加入的 1 mol N2和和 3 mol H2不可能完 全反应生成 不可能完 全反应生成 NH3，所以反应放出的热量小于，所以反应放出的热量小于 92.4 kJ，A 项错误；从状项错误；从状 态态 A 到状态到状态 B， 改变的是压强， 温度未发生变化， 所以平衡常数不变， 改变的是压强， 温度未发生变化， 所以平衡常数不变， B 项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向 正反应方向移动， 项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向 正反应方向移动，H2的转化率增大，的转化率增大，C 项正确；升高温度，平衡逆向 移动， 项正确；升高温度，平衡逆向 移动，K 减小，减小，D 项错误。项错误。 答案：答案：C 3.反应反应 N2 (g)3H2(g) 2NH3(g) H0 在某一时间段 中反应速率与反应过程的曲线关系如图所示，则氨的百分含量最高的 一段时间段是 在某一时间段 中反应速率与反应过程的曲线关系如图所示，则氨的百分含量最高的 一段时间段是(t1t6，只改变了温度或压强，只改变了温度或压强)( ) At0t1 Bt2t3 Ct3t4 Dt5t6 解析：解析：此题考查了对速率此题考查了对速率时间图象的分析。化学平衡时时间图象的分析。化学平衡时 v(正正) v(逆逆)，氨的百分含量不变。，氨的百分含量不变。t1t2、t4 t5，v(逆逆)大于大于 v(正正)，平衡向 左移动，致使氨的百分含量减少。所以氨的百分含量最高时是 ，平衡向 左移动，致使氨的百分含量减少。所以氨的百分含量最高时是 t0t1。 答案：答案：A 4工业合成氨的反应是放热反应，下列关于工业合成氨的反应是放热反应，下列关于 N2(g)3H2(g) 2NH3(g)反应的图象中，错误的是反应的图象中，错误的是( ) 解析 ：解析 ： 合成氨的正反应是放热反应， 升温， 正、 逆反应速率都增大， 但逆反应增大的程度大， 合成氨的正反应是放热反应， 升温， 正、 逆反应速率都增大， 但逆反应增大的程度大，A 正确；在正确；在 T1时时 NH3%最大，达到平衡，再 升高温度，平衡逆向移动， 最大，达到平衡，再 升高温度，平衡逆向移动，NH3%减小，减小，B 正确，正确，C 错误；增大压强， 平衡向右移动， 错误；增大压强， 平衡向右移动，NH3%增大，增大，D 正确。正确。 答案：答案：C 5在容积不变的密闭容器中发生反应：在容积不变的密闭容器中发生反应：2SO2(g)O2(g) V2O5 2SO3(g) H0，某研究小组研究了其他条件不变时，改变某一条件 对上述反应的影响如图所示，下列分析正确的是 ，某研究小组研究了其他条件不变时，改变某一条件 对上述反应的影响如图所示，下列分析正确的是( ) A图表示的是图表示的是 t1时刻增大时刻增大 O2的浓度对化学反应速率的影响的浓度对化学反应速率的影响 B图表示的是图表示的是 t1时刻加入催化剂对化学反应速率的影响时刻加入催化剂对化学反应速率的影响 C 图表示的是催化剂对化学平衡的影响， 且甲的催化剂效率比 乙的高 图表示的是催化剂对化学平衡的影响， 且甲的催化剂效率比 乙的高 D图表示的是压强对化学平衡的影响，且乙的压强较高图表示的是压强对化学平衡的影响，且乙的压强较高 解析：解析：若增大若增大 O2的浓度，正反应速率突然变大，逆反应速率瞬间 不变，随后逐渐变大，故 的浓度，正反应速率突然变大，逆反应速率瞬间 不变，随后逐渐变大，故 A 项错误；加入催化剂，正、逆反应速率同 等程度增大， 项错误；加入催化剂，正、逆反应速率同 等程度增大，v(正正)v(逆逆)，化学平衡不移动，化学平衡不移动，SO2的转化率不变， 故 的转化率不变， 故 B 项正确、项正确、C 项错误；乙达到化学平衡时所用时间短，则其反应速 率较快， 乙的压强比甲的高， 但增大压强平衡右移， 项错误；乙达到化学平衡时所用时间短，则其反应速 率较快， 乙的压强比甲的高， 但增大压强平衡右移， SO2的转化率增大， 故 的转化率增大， 故 D 项错误。项错误。 答案：答案：B 基础题基础题 6有平衡体系：有平衡体系：CO(g)2H2(g) CH3OH(g) H0，为了增 加甲醇 ，为了增 加甲醇(CH3OH)的产量，应采用的正确措施是的产量，应采用的正确措施是( ) A高温、高压高温、高压 B适宜温度、高压、催化剂适宜温度、高压、催化剂 C低温、低压低温、低压 D高温、高压、催化剂高温、高压、催化剂 解析：解析：A.此反应为放热的反应，高温条件下使反应逆向进行，甲 醇的产率减小，故 此反应为放热的反应，高温条件下使反应逆向进行，甲 醇的产率减小，故 A 错误；错误；B.适宜的温度和催化剂，有利于反应速率 增大， 此反应为体积减小的反应， 故高压下使反应正向移动， 故 适宜的温度和催化剂，有利于反应速率 增大， 此反应为体积减小的反应， 故高压下使反应正向移动， 故 B 正确 ；正确 ； C.低压下， 平衡逆向移动， 不利于甲醇的产出， 故低压下， 平衡逆向移动， 不利于甲醇的产出， 故 C 错误 ；错误 ； D.温度过高， 使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故 温度过高， 使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故 D 错误。错误。 答案：答案：B 7工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：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) H92.44 kJ·mol 1，其部分工艺流程如下图所 示： ，其部分工艺流程如下图所 示： 反应体系中各组分的部分性质见下表：反应体系中各组分的部分性质见下表： 气体气体氮气氮气氢气氢气氨氨 熔点熔点/ 210.01 252.77 77.74 沸点沸点/ 195.79259.2333.42 回答下列问题：回答下列问题： (1)写出该反应的化学平衡常数表达式：写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。随着温度 升高， 。随着温度 升高，K 值值_(填“增大”“减小”或“不变”填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)平衡常数平衡常数 K 值越大，表明值越大，表明_(填字母填字母)。 AN2的转化率越高的转化率越高 BNH3的产率越大的产率越大 C原料中原料中 N2的含量越高的含量越高 D化学反应速率越快化学反应速率越快 (3)合成氨反应的平衡常数很小，所以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 合成氨反应的平衡常数很小，所以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_使使_分 离出来；继续循环的气体是 分 离出来；继续循环的气体是_。 解析：解析：(1)由方程式由方程式 N2(g)3H2 (g) 2NH3 (g)不难写出：不难写出：K ，根据此反应，根据此反应 H0，说明正反应为放热反应，升高温度平，说明正反应为放热反应，升高温度平 NH3 32 2 N2 2H2 23 3 衡向吸热方向移动，即向左移动，衡向吸热方向移动，即向左移动，NH3减小，减小，N2和和H2增大，故增大，故 K 减小。减小。(2)平衡常数平衡常数 K 值越大，说明值越大，说明NH3越大，越大，N2和和H2就越小，说 明反应进行的程度大，故 就越小，说 明反应进行的程度大，故 N2的转化率就越高，的转化率就越高，NH3的产率就越大的产率就越大(注： 产率是指实际产生的 注： 产率是指实际产生的 NH3与理论产生的与理论产生的 NH3的物质的量之比的物质的量之比)。(3)根 据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动， 剩余 根 据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动， 剩余 N2和和 H2循环使用，以提高产率。循环使用，以提高产率。 答案：答案：(1) 减小 减小 (2)AB NH3 32 2 N2 2H2 23 3 (3)33.42 氨 氨 N2和和 H2 B 级 能力提升级 能力提升 8合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长 对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料氨。合成氨反应 是一个可逆反应： 氨。合成氨反应 是一个可逆反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。在。在 298 K 时：时：H 92.2 kJ·mol 1， ，K4.1××106(mol·L 1)2。 。 (1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大，为什么还需要使用催 化剂？ 从平衡常数来看，反应的限度已经很大，为什么还需要使用催 化剂？_ _。 (2)试分析实际工业生产中采取试分析实际工业生产中采取 700 K 左右的温度的原因：左右的温度的原因： _。 (3)298 K，1.01××105 Pa，在，在 10 L 密闭容器中充入密闭容器中充入 10 mol 氮气、氮气、30 mol 氢气和氢气和 20 mol 氨气，开始的瞬间，反应向氨气，开始的瞬间，反应向_(选填“正”或 “逆” 选填“正”或 “逆”)方向进行，反应进行方向进行，反应进行 5 min 后体系能量的变化为后体系能量的变化为_(选填 “吸收”或“放出” 选填 “吸收”或“放出”)184.4 kJ，容器内压强变为原来的，容器内压强变为原来的_倍。倍。 (4)从开始至从开始至 5 min 时，用时，用 N2浓度变化表示该反应的平均速率为浓度变化表示该反应的平均速率为 _。 解析：解析：(3)依据依据 Q(20 mol/10 L)2/(10 mol/10 L)·(30 mol/10 L)3 4/27(mol·L 1)2K 4.1××106(mol··L 1)2，反应正向进行，放出热 量，且放出热量的数值为 ，反应正向进行，放出热 量，且放出热量的数值为 92.2 kJ··mol 1的两倍，故 的两倍，故 5 min 时生成的 氨气为 时生成的 氨气为 4 mol，用三步式表示为，用三步式表示为 N2(g)3H2(g) 2NH3(g) 起始量起始量/mol 10 30 20 转化量转化量/mol 2 6 4 5 min 时时/mol 8 24 24 故故 5 min 时气体总物质的量为时气体总物质的量为 56mol，容器内压强变为原来的，容器内压强变为原来的 56/6014/15。(4)v(N2)(2 mol/10 L)/5 min0.04 mol··L 1· ·min 1。 。 答案：答案：(1)使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应 速率，提高单位时间内的产量 速率，提高单位时间内的产量 (2)在该温度下，催化剂的活性最高， 速率较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产 量还是最理想的 在该温度下，催化剂的活性最高， 速率较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产 量还是最理想的 (3)正 放出 正 放出 14/15 (4)0.04 mol·L 1· ·min 1 9合成氨的温度和压强通常控制在约合成氨的温度和压强通常控制在约 500 以及以及 20 MPa50 MPa 的范围， 当进入合成塔的的范围， 当进入合成塔的 N2和和 H2的体积比为的体积比为 13 时， 经科学实 验测定， 在相应条件下 时， 经科学实 验测定， 在相应条件下 N2和和 H2反应所得氨的平衡浓度反应所得氨的平衡浓度(体积分数体积分数)如下 表所示： 如下 表所示： 压强压强20 MPa50 MPa 平衡浓度平衡浓度(体积分数体积分数)19.142.2 而实际上从合成塔出来的混合气体中含有氨约为而实际上从合成塔出来的混合气体中含有氨约为 15%。请回答下 列问题： 。请回答下 列问题： (1)298 K 下合成氨时，每生成下合成氨时，每生成 1 mol 氨气，同时放出氨气，同时放出 46.2 kJ 的热 量，则该反应的热化学方程式为 的热 量，则该反应的热化学方程式为_ _。 在该温度下，取在该温度下，取 1 mol N2和和 3 mol H2放在一密闭容器中，在催化 剂存在的条件下进行反应，测得反应放出的热量总小于 放在一密闭容器中，在催化 剂存在的条件下进行反应，测得反应放出的热量总小于 92.4 kJ，其原 因是 ，其原 因是_ _。 (2)实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值的 根本原因是 实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值的 根本原因是_(填序号填序号)。 A表中所测数据有明显误差表中所测数据有明显误差 B生产条件控制不当生产条件控制不当 C氨的分解速度大于预测值氨的分解速度大于预测值 D合成塔中的反应未达到平衡状态合成塔中的反应未达到平衡状态 (3)若工业生产中若工业生产中 N2和和 H2按投料比按投料比 12.8 的比例进入合成塔，那 么转化率较大的应该是 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，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若从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数仍为15%， 则， 则N2和和H2 的转化率之比是的转化率之比是_。 解析 ：解析 ： (1)根据题意，生成根据题意，生成 2 mol NH3所放出的热量为所放出的热量为 46.2 kJ××2 92.4 kJ， 该反应的热化学方程式为， 该反应的热化学方程式为 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H 92.4 kJ·mol 1。由于合成氨的反应是一个可逆反应， 。由于合成氨的反应是一个可逆反应，1 mol N2和和 3 mol H2反应不可能完全转化为反应不可能完全转化为 NH3，所以放出的热量总小于，所以放出的热量总小于 92.4 kJ。 (2)从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值，其根本 原因是反应没有这到平衡状态。 从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值，其根本 原因是反应没有这到平衡状态。 (3)若投料之比为若投料之比为 12.8，相当于增加了，相当于增加了 N2的用量，可以提高的用量，可以提高 H2 的转化率。的转化率。 N2(g)3H2(g)2NH3(g) 起始量起始量 1 2.8 0 变化量变化量 x 3x 2x 平衡量平衡量 1x 2.83x 2x 根据题意：×根据题意：×100%15%，解得，解得 x0.248。 2x 3.82x N2、H2的转化率之比的转化率之比2.8311.07。 0.248 1 0.248 ×× 3 2.8 答案：答案：(1)N2(g)3H2(g)2NH3(g) H92.4 kJ·mol 1合成 氨的反应是一个可逆反应， 合成 氨的反应是一个可逆反应，1 mol N2和和 3 mol H2反应不可能完全转化 为 反应不可能完全转化 为 NH3 (2)D (3)H2 增加相对廉价原料 增加相对廉价原料 N2的用量， 提高相对贵重原 料 的用量， 提高相对贵重原 料 H2的转化率，降低成产成本 的转化率，降低成产成本 11.07