新教材2023-2024学年高中化学第2章化学反应的方向限度与速率分层作业13化学反应条件的优化-工业合成氨课件鲁科版选择性必修1

分层作业13化学反应条件的优化——工业合成氨1234567891011121314151617A级必备知识基础练181.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。下列是哈伯法合成氨的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是(

)A.①②③ B.②④⑤C.①③⑤ D.②③④B123456789101112131415161718解析

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符合题意;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,⑤符合题意。1234567891011121314151617182.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),673K,30MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是(

)A.点a的正反应速率比点b的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.其他条件不变,773K条件下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大D解析

a点的反应物浓度大于b点,所以反应速率a更快;c点之后各种物质的浓度仍在变化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。1234567891011121314151617183.对于合成氨工业,只从提高原料转化率看,下列条件中选择最适宜的组合是(

)①高温②低温③低压④高压⑤催化剂

⑥加氨⑦分离出氨A.②④⑤ B.②④⑦C.①④⑤ D.②③⑥B解析

合成氨反应为N2+3H2

2NH3

ΔH<0,因而可知降低温度有利于反应向生成氨气的方向进行;从气体各物质化学式前的系数来看,加压有利于反应向生成氨气的方向进行;加催化剂只会改变速率却无法改变转化率;及时分离反应产物也有利于反应向生成氨气的方向进行。故综上所述②④⑦符合题意。1234567891011121314151617184.合成氨反应通常控制在20MPa~50MPa的压强和500℃左右的温度,且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3,经科学测定,在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:温度压强20MPa60MPa500℃19.1%42.2%而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%,这表明(

)A.表中所测数据有明显误差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D123456789101112131415161718解析

表中数据为通过科学实验所得,不可能有明显误差;合成氨连续操作,不可能对生产条件控制不当;平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系,因此D项符合题意。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题,并未让合成氨反应达到平衡,因为让反应达到平衡需要一定的时间,时间太长得不偿失。1234567891011121314151617185.将氮气和氢气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3mol·L-1、7mol·L-1、4mol·L-1,则下列结果不正确的是(

)A.从开始到平衡时v(H2)=7mol·L-1·h-1B.c始(H2)=13mol·L-1C.c始(N2)=5mol·L-1D.H2的平衡转化率为46.2%A解析

由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4

mol·L-1,说明转化了4

mol·L-1,则由化学方程式中化学式前面的系数关系知N2消耗了2

mol·L-1,H2消耗了6

mol·L-1,所以v(H2)=6

mol·L-1·h-1,c始(H2)=13

mol·L-1,c始(N2)=5

mol·L-1,H2的平衡转化率为

×100%≈46.2%。1234567891011121314151617186.(2023河北邯郸魏县五中高二期中)平衡移动原理在工农业生产和日常生活中有许多重要应用,下列事实能用勒·夏特列原理解释的是(

)A.2HI(g)H2(g)+I2(g),加压,体系颜色变深B.已知反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,高温比低温更有利于NH3的生成C.工业上用SO2合成SO3,增加氧气的量可提高SO2的利用率D.工业上合成氨,使用铁触媒可提高NH3日产量C123456789101112131415161718解析

对于气体分子数不变的反应,加压时平衡不移动,体系颜色变深是有色气体浓度增大造成的,不能用勒·夏特列原理解释,A项不符合题意;合成氨反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,故高温不利于NH3的生成,不能用勒·夏特列原理解释,B项不符合题意;对于反应2SO2+O22SO3,增加氧气的量,平衡正向移动,可提高SO2的利用率,可以用勒·夏特列原理解释,C项符合题意;使用铁触媒作催化剂,可以加快反应速率,但平衡不移动,不能用勒·夏特列原理解释,D项不符合题意。1234567891011121314151617187.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.2kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图:下列说法正确的是(

)A.t1时升高了温度

B.t2时使用了催化剂C.t3时增大了压强

D.t4时降低了温度B123456789101112131415161718解析

若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错误;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,故C错误;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错误。1234567891011121314151617188.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为3∶1∶1,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4,则此时氮气的转化率为(

)A.10% B.20% C.15% D.30%A123456789101112131415161718解析

由题意设开始时H2、N2、NH3的物质的量分别为3

mol、1

mol、1

mol。平衡时N2转化了a

mol,则根据“三段式”分析:

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol

1

3

1转化物质的量/mol

a

3a

2a平衡物质的量/mol

1-a

3-3a

1+2a1234567891011121314151617189.在一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较(

)A.a大

B.b大C.a、b一样大

D.无法判断A解析

先假设a容器开始时也保持容积不变,则达到平衡时容器a中N2的转化率与容器b中N2的转化率相等,但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。由于容器a恒压,若要保持开始时的压强,必然要缩小容器a的容积,则平衡会正向移动。因此再次达平衡时,N2的转化率会增大。123456789101112131415161718其中,N2吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答:123456789101112131415161718解析

ΔH(298

K)=-46.2

kJ·

mol-1是气体体积减小的放热反应,低温有利于平衡正向移动,提高NH3的平衡产率,A正确、B错误;降低压强平衡逆向移动,不利于提高NH3的平衡产率,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NH3的平衡产率,E错误。(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有_________(填字母)。

A.低温 B.高温C.低压 D.高压E.催化剂AD123456789101112131415161718(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773K,压强3.0×107Pa,原料中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:

__________________________________________________________、

__________________________________________________________。

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123456789101112131415161718(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是________(填字母)。

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.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,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”ACD123456789101112131415161718解析

ΔH(298

K)=-46.2

kJ·mol-1是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;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向移动,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”,D正确。123456789101112131415161718B级关键能力提升练以下选择题有1~2个选项符合题意。11.在密闭容器中进行如下反应:N2+3H2

2NH3

ΔH<0,当反应达到平衡时,其他条件不变,若压缩容器容积使其变为原来的一半,则下列说法中正确的是(

)A.平衡不移动

B.平衡向正反应方向移动C.平衡向逆反应方向移动

D.NH3的百分含量增加BD解析

压缩容器容积使其变为原来的一半,则平衡向气体体积减小的方向移动,故平衡向正反应方向移动,使NH3的百分含量增加。12345678910111213141516171812.合成氨反应达到平衡时,NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(

)A.提高分离技术B.研制耐高压的合成塔C.研制低温催化剂D.探索不用N2和H2合成氨的新途径C解析

由题图可知,NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降,故要提高NH3的体积分数,必须降低温度,但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度较高,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。12345678910111213141516171813.合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下:关于合成氨工业的说法中不正确的是(

)A.混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想B.合成氨反应须在低温下进行C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D.使用催化剂可以提高反应的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动B123456789101112131415161718解析

低温虽然有利于平衡正向移动,但低温会导致反应速率降低,不利于提高生产效率,B项错误。12345678910111213141516171814.对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是(

)A.达到平衡后,加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率C.达到平衡后,缩小容器容积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高氢气的转化率D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为催化剂改变反应途径,降低反应的活化能CD123456789101112131415161718解析

达到平衡后,加入N2,平衡向正反应方向移动,达到新平衡后,NH3的浓度会增大,而N2的浓度比原平衡的大,A项错误;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH3的生成,B项错误;达到平衡后,缩小容器容积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,有利于提高H2的转化率,C项正确;加入催化剂,改变了反应途径,降低了反应的活化能,从而缩短反应达到平衡的时间,D项正确。12345678910111213141516171815.下列是关于N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图像,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t。当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系不符合实际的是(

)A123456789101112131415161718解析

合成氨反应是气体体积减小的放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A项错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B项正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C项正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增大,所以正反应速率增大,分离出NH3,反应产物的浓度减小,所以逆反应速率减小,所以D项正确。12345678910111213141516171816.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义,对我国实现农业现代化也起着重要作用。根据已学知识回答下列问题[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4kJ·mol-1]:(1)合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是________(填序号)。

A.采用较高压强(20MPa~50MPa)B.采用500℃的高温C.用铁触媒作催化剂D.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来BC123456789101112131415161718解析

反应N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;500

℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动,采用500

℃不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500

℃时催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率,不改变平衡移动;将生成的氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度,平衡正向移动。123456789101112131415161718(2)合成氨工业中采用了较高压强(20MPa~50MPa),而没有采用100MPa或者更大压强,试解释没有这么做的理由________________________。

采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备,从而增加生产成本(其他合理答案也可)解析

采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。123456789101112131415161718(3)在容积均为2L(容器体积不可变)的甲、乙两个容器中,分别加入2molN2、6molH2和1molN2、3molH2,在相同温度、催化剂下使其反应。最终达到平衡后,两容器N2转化率分别为α甲、α乙,则甲容器中平衡常数为________(用含α甲的代数式表示),此时α甲________(填“>”“<”或“=”)α乙。

>123456789101112131415161718解析

在甲容器中,反应的N2为2

mol×α甲,则有

N2(g)

+

3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol

1

3

0转化物质的量/mol

α甲

3α甲

2α甲平衡物质的量/mol

1-α甲

3-3α甲

2α甲甲与乙相比,相当于在乙平衡的基础上增大压强,平衡正向移动