高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第4节化学反应条件的优化__工业合成氨练习含解析鲁科版选择性必修1 10页

- 1 - 化学反应条件的优化——工业合成氨 (40 分钟　70 分) 一、选择题(本题包括 8 小题,每小题 5 分,共 40 分) 1.(2020·顺义区高二检测)1913 年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而 大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图,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】选 B。合成氨反应为 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,加压、降温、减小 NH3 的浓度 均有利于平衡向正反应方向移动,②④正确;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,⑤正 确。 2.(2020·黄山高二检测)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 3 mol·L-1、7 mol·L-1、4 mol·L-1,则下列结果不正确的是 (　　) A.v(H2)始=7 mol·L-1·h-1 B.c0(H2)=13 mol·L-1 C.c0(N2)=5 mol·L-1 D.H2 的转化率为 46.2 % 【解析】选 A。由题知,起始 NH3 浓度为 0,达到平衡后为 4 mol·L-1,说明转化了 4 mol·L-1,则 由 化 学 计 量 数 关 系 知 N2 消 耗 了 2 mol · L-1,H2 消 耗 了 6 mol · L-1, 所 以 c0(H2)=13 mol·L-1,c0(N2)=5 mol·L-1,H2 的转化率为 ×100 %≈ 46.2 %。 3.(2020·泰安高二检测)在合成氨工业中,为增加 NH 3 的日产量,实施下列目的的变化过程中 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 - 2 - D.采用 2×107～5×107 Pa 的压强 【解析】选 B。把氨分离出来是减小生成物浓度,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 都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为增大反应速率,与平 衡无关。 4.对于合成氨的反应来说,使用催化剂或施加高压,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,而压强无此作用 【解析】选 C。对于化学反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),催化剂只能降低反应所需活化能,增大 反应速率,缩短达到平衡状态所用时间,不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率,使反 应达到平衡状态所用时间缩短,也能使化学平衡向生成 NH3 的方向移动。 5.(2020·哈尔滨高二检测)合成氨厂所需 H 2 可由焦炭与水反应制得,其中有一步反应为 CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)　ΔH<0。欲提高 CO 的利用率,可采用的方法是 (　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂 ④增大 CO 的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A.①②③　 B.④⑤　 C.①⑤　 D.⑤ 【解析】选 C。增大压强,平衡不移动;增大 CO 浓度,平衡向右移动,但 CO 转化率降低;使用催 化剂,平衡不移动,CO 转化率不变;降低温度或增大水蒸气浓度,平衡均向右移动,CO 转化率增 大。 【补偿训练】 　　(2020·苏州高二检测)对于合成氨反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,下列研究结果 和示意图相符的是 (　　) 选项 A B C D 研究 压 强 对 反 应 温 度 对 反 应 的 影平衡体系增加 N2 对反应的影催化剂对反应的影 - 3 - 结果 的影响 响 响 响 图示 【解析】选 C。A 项,由于 p1 条件先达到平衡,故 p1>p2,由 p1→p2,减小压强,化学平衡左移,NH3 的体积分数应降低,错误;B 项,由于此反应ΔH<0,故升温平衡左移,N 2 的转化率降低,错误;C 项,增大 N2 的量,会使正反应速率增大,使化学平衡右移,正确;D 项,使用催化剂,能加快反应 速率,缩短到达平衡的时间,错误。 6.(2020·青岛高二检测)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。下列说法正确的是 世纪金榜导学号 (　　 ) 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,773 K 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 点的小 【解析】选 C。A 项,c 点是氢气和氨气物质的量相等的点,该点以后,氢气的量还在减少,氨气 的量还在增加,故 c 点没有达到平衡,错误;B 项,t 1 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 d、e 两点氮气的物质的量相等,错误;C 项,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,正确;D 项,反应达到平衡 前,a 点反应物浓度大于 b 点,因此 a 点的正反应速率比 b 点的大,错误。 7.某温度下,对于反应 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1。N2 的平衡转化率(α) 与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是 (　　) - 4 - A.将 1 mol 氮气、3 mol 氢气,置于 1 L 密闭容器中发生反应,放出的热量为 92.2 kJ B.平衡状态由 A 变为 B 时,平衡常数 K(A)p2)下 达到平衡时,混合气体中氨的体积分数 a %随温度和压强的变化曲线正确的是 (　　) 【解析】选 A。合成氨反应的正反应是放热反应,且是气体体积减小的反应。随温度升高,a % 减小;随压强增大,a %增大,A 选项图象符合。 8.(2020·郑州高二检测)在密闭容器内,N2、H2 起始的物质的量分别为 10 mol、30 mol,达到平 衡时 N2 的转化率为 25 %。若从 NH3 开始,在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相 同,则应加入 NH3 的物质的量及 NH3 的转化率为 ( 　　 - 5 - ) A.15 mol 和 25 %　 B.20 mol 和 50 % C.20 mol 和 75 %　 D.40 mol 和 50 % 【解析】选 C。以 N2、H2 为起始时,N2 为 10 mol,H2 为 30 mol,要以 NH3 开始反应,并且平衡时百 分含量与前者相同,取 NH3 的量必须是 20mol。设以 NH3 开始反应时,氨转化的物质的量为 x,那 么有 20 mol-x=2×10 mol×25%,x=15 mol,氨的转化率: ×100 %=75 %。 【补偿训练】 1.(2020·济南高二检测)在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中 NH 3 的体积占 25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体的体积与原反应物体积的比值是 (　　) A.1/5　　　B.1/4　　　C.1/3　　　D.1/2 【解析】选 A。设平衡后混合气体的体积为 100 L,则 NH3 的体积为 25 L,由 N2+3H2 2NH3 知, 反应前后气体体积差为 2,则缩小的气体体积为 25 L,反应前的气体体积为 100 L+25 L=125 L,则 缩小的气体体积与原反应物体积的比值是 = 。 2.(2020 · 肇 庆 高 二 检 测 ) 一 定 条 件 下 , 通 过 下 列 反 应 可 实 现 燃 煤 烟 气 中 的 硫 的 回 收:SO2(g)+2CO(g) 2CO2(g)+S(l)　ΔH<0。一定温度下,在容积为 2 L 的恒容密闭容器中 1 mol SO2 和 n mol CO 发生反应,5 min 后达到平衡,生成 2a mol CO2。下列说法正确的是 (　　) A.反应前 2 min 的平均速率 v(SO2)=0.1a mol·L-1·min-1 B.当混合气体的物质的量不再改变时,反应达到平衡状态 C.平衡后保持其他条件不变,从容器中分离出部分硫,平衡向正反应方向移动 D.平衡后保持其他条件不变,升高温度或加入催化剂,SO2 的转化率均增大 【解析】选 B。根据方程式可知,生成 2a mol CO 2 的同时,消耗 a mol SO 2,其浓度是 0.5a mol·L-1,所以反应前 5 min 的平均速率 v(SO2)=0.5a mol·L-1÷5 min= 0.1a mol·L-1·min-1,故前 2 min 的平均速率大于 0.1a mol·L-1·min-1,A 不正确;根据方程式 可知,该反应是反应前后气体的物质的量减小的可逆反应,因此当混合气体的物质的量不再改 变时,可以说明反应达到平衡状态,B 正确;S 是液体,改变液体的质量,平衡不移动,C 不正确; 该反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,SO2 的转化率降低,催化剂不能改变平衡 状态,转化率不变,D 不正确。 二、非选择题(本题包括 2 小题,共 30 分) - 6 - 9.(15 分)工业上合成氨的反应为 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1。 (1)在绝热、容积固定的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),下列说法能说明上述 反应向正反应方向进行的是____________(填序号)。 世纪金榜导学号 ①单位时间内生成 2n mol NH3 的同时生成 3n mol H2 ②单位时间内生成 6n mol N—H 键的同时生成 2n mol H—H 键 ③用 N2、H2、NH3 的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为 1∶3∶2 ④混合气体的平均摩尔质量增大 ⑤容器内的气体密度不变 (2)某温度下,合成氨反应在容积为 2 L 的密闭容器中进行,测得如下数据: 时间/h　 物质的量/mol　　 0 1 2 3 4 N2 1.50n1 1.20n3 1.00 H2 4.504.203.60n4 3.00 NH3 0 0.20n2 1.001.00 根据表中数据计算: ①反应进行到 2 h 时放出的热量为____________kJ。 ②0～1 h 内 N2 的平均反应速率为_________mol·L-1·h-1。 ③此温度下该反应的化学平衡常数 K=____________(保留两位小数)。 ④ 反 应 达 到 平 衡 后 , 若 往 平 衡 体 系 中 再 加 入 N2 、 H2 和 NH3 各 1.00 mol, 化 学 平 衡 将 ____________(填“正”或“逆”)向移动。 【解析】(1)①所述反应达到平衡状态;②生成 2 mol NH3 的同时生成 2 mol H2,正反应速率大于 逆反应速率,反应正向进行;③无论是正向进行还是逆向进行,N 2、H2、NH3 的速率之比总是 1∶3∶2,无法判断;④混合气体的平均摩尔质量增大,说明气体的物质的量减小,反应正向进 行;⑤因为容积固定,所以密度始终保持不变。 (2)①2 h 时消耗 N2 的物质的量为 1.50 mol-1.20 mol=0.30 mol,由热化学方程式可知,该反应 放出的热量为 92.2 kJ·mol-1×0.30 mol=27.66 kJ。 ②v(N2)= v(NH3)= × =0.05 mol·L-1·h-1。 ③由表中数据可知,第 3、4 h 时反应已达到平衡状态,故 N2、H2、NH3 的平衡浓度分别为 0.50 - 7 - mol·L-1、1.50 mol·L-1、0.50 mol·L-1,故平衡常数 K= ≈0.15(mol·L-1)-2。 ④向平衡体系中再加入 N2、H2、NH3 各 1.00mol 后,平衡发生移动前,N2、H2、NH3 的浓度分别为 1.00 mol·L-1、2.00 mol·L-1、1.00 mol·L-1,此时 Q= ” “=”或“<”)。 【解析】(1)从反应开始到平衡用时 4 分钟,NH3 的物质的量浓度变化了 0.1 mol·L-1,v(NH3)为 0.025 mol·L-1·min-1;(2)该反应达到平衡时氢气反应了 0.3 mol,转化 率为 50%;(3)初始 N2 和 H2 的物质的量分别是 0.2 mol、0.6 mol,平衡时 NH3 的物质的量介于 0～ 0.4 mol 之间,浓度介于 0～0.2 mol·L-1 之间;而且温度与图中平衡温度不同,所以 NH3 的物质 - 8 - 的量浓度也不可能是 0.10 mol·L-1; (4)将容器的体积缩小一半的瞬间 NH3 的浓度变为 0.2 mol·L-1,因为压强增大,平衡右移,NH3 的浓度逐渐增大至 0.25 mol·L-1 达到新的平衡;(5)温度升高平衡常数减小。 答案:(1)0.025 mol·L-1·min-1　(2)50%　(3)AC (4) (5)> (20 分钟　30 分) 一、选择题(本题包括 1 小题,共 10 分) 11.(2020·启东高二检测)已知:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。在相同温度 下,相同容积的恒容容器中,实验测得起始、平衡时的有关数据如下表: 起始时各物质的物质的量/mol容 器 编 号 N2 H2 NH3 达到平衡时体系能量的变化平衡时氨气的体积分数 ① 1 3 0 放出热量 23.15 kJ W1 ② 0.9 2.7 0.2 放出热量 Q W2 下列判断正确的是 (　　) A.W1>W2,Q<23.15 kJ　 B.W1=W2,Q=23.15 kJ C.W123.15 kJ　 D.W1=W2,Q<23.15 kJ 【解析】选 D。1、3、0 的配比与 0.9、2.7、0.2 的配比的平衡状态为等效平衡,则 W1=W2,但放 出的热量决定于 N2 和 H2 实际消耗量,则 23.15 kJ>Q。 【补偿训练】 　　(2020·济南高二检测)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。哈伯法合成 氨需要在 20～50MPa 的高压和 500 ℃左右的高温下,并用铁触媒作为催化剂,氨在平衡混合物 中的含量仍较少。最近英国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为 trans-Fe(DMeOPrPE)2 的新催 化剂,在常温下合成氨,反应方程式可表示为 N2+3H2 2NH3。有关说法正确的是 (　　) - 9 - A.哈伯法合成氨是吸热反应,新法合成氨是放热反应 B.新法合成氨不需要在高温条件下,可节约大量能源,具有发展前景 C.新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键 　D.新催化剂降低了反应所需要的能量,使平衡正向移动 【解析】选 B。哈伯法合成氨和新法合成氨都是放热反应,使用催化剂不会改变反应热,A 错误; 题目给出信息“在常温下合成氨”,所以不需要在高温条件下,可节约大量能源,具有发展前 景,B 正确;任何化学反应都涉及旧键的断裂和新键的生成,C 错误;新催化剂降低了反应所需 要的能量,但是不改变平衡的移动,D 错误。 二、非选择题(本题包括 1 小题,共 20 分) 12.(2020·闵行高二检测)SNCR-SCR 是一种新型的烟气脱硝技术(除去烟气中的 NOx),其流程 如下: 世纪金榜导学号 该方法中主要反应的热化学方程式为 4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) 4N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1 646 kJ·mol-1,如图所示,反应温度会直接影响 SNCR 技术的脱硝效率。 回答下列问题: (1)SNCR 技术脱硝的最佳温度选择 925 ℃的理由是___________________。 (2)SNCR 与 SCR 技术相比,SNCR 技术的反应温度较高,其原因是________; 但当烟气温度高于 1 000 ℃时,SNCR 脱硝效率明显降低,其原因可能是 ______________________________________。 【解析】(1)根据图象,在 925 ℃时脱硝效率高,残留氨的浓度较小;(2)根据流程,SNCR 没有使 用催化剂,SCR 使用催化剂,使用催化剂降低活化能,加快反应,因此 SNCR 技术的反应温度较高; 脱硝主要反应是放热反应,温度过高,使脱硝主要反应的平衡逆向移动,或者在较高温度下,N2 与 O2 发生反应生成 NO。 - 10 - 答案:(1)925 ℃时脱硝效率高,残留氨浓度较小 (2)没有使用催化剂,反应的活化能较大　因为脱硝主要反应是放热反应,温度过高,使脱硝主 要反应的平衡逆向移动(或生成的 N2 与 O2 反应生成 NO 等其他合理答案)