高中化学选择性必修一课时素养评价2-4化学反应条件的优化工业合成氨

课时素养评价十三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.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.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3mol·L1、7mol·L1、4mol·L1,则下列结果不正确的是 ()A.v(H2)始=7mol·L1·h1B.c0(H2)=13mol·L1C.c0(N2)=5mol·L1D.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4mol·L1,说明转化了4mol·L1,则由化学计量数关系知N2消耗了2mol·L1,H2消耗了6mol·L1,所以c0(H2)=13mol·L1,c0(N2)=5mol·L1,H2的转化率为QUOTE×100%≈46.2%。3.(2020·泰安高二检测)在合成氨工业中,为增加NH3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700K左右的高温而不是900K的高温D.采用2×107～5×107Pa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(700K)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H2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ABCD研究结果压强对反应的影响温度对反应的影响平衡体系增加N2对反应的影响催化剂对反应的影响图示【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,N2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<0,673K、30MPa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 ()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,773K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,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d、e两点氮气的物质的量相等,错误;C项,773K>673K,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=92.2kJ·mol1。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 ()A.将1mol氮气、3mol氢气,置于1L密闭容器中发生反应,放出的热量为92.2kJB.平衡状态由A变为B时,平衡常数K(A)<K(B)C.上述反应在达到平衡后,增大压强,H2的转化率增大D.升高温度,平衡常数K增大【解析】选C。该反应为可逆反应,加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3,所以反应放出的热量小于92.2kJ,A项错误;从状态A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,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,H2的转化率增大,C项正确;升高温度,平衡逆向移动,K减小,D项错误。【补偿训练】(2020·宜昌高二检测)合成氨反应(正反应为放热反应)在不同温度或不同压强(p1>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10mol、30mol,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()A.15mol和25% B.20mol和50%C.20mol和75% D.40mol和50%【解析】选C。以N2、H2为起始时,N2为10mol,H2为30mol,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20molx=2×10mol×25%,x=15mol,氨的转化率:QUOTE×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NH3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.1/5B.1/4C.1/3D.1/2【解析】选A。设平衡后混合气体的体积为100L,则NH3的体积为25L,由N2+3H22NH3知,反应前后气体体积差为2,则缩小的气体体积为25L,反应前的气体体积为100L+25L=125L,则缩小的气体体积与原反应物体积的比值是QUOTE=QUOTE。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2L的恒容密闭容器中1molSO2和nmolCO发生反应,5min后达到平衡,生成2amolCO2。下列说法正确的是 ()A.反应前2min的平均速率v(SO2)=0.1amol·L1·min1B.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2amolCO2的同时,消耗amolSO2,其浓度是0.5amol·L1,所以反应前5min的平均速率v(SO2)=0.5amol·L1÷5min=0.1amol·L1·min1,故前2min的平均速率大于0.1amol·L1·min1,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)9.(15分)工业上合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=92.2kJ·mol1。(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)。

①单位时间内生成2nmolNH3的同时生成3nmolH2②单位时间内生成6nmolN—H键的同时生成2nmolH—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∶2④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2L的密闭容器中进行,测得如下数据:时间/h物质的量/mol01234N21.50n11.20n31.00H24.504.203.60n43.00NH300.20n21.001.00根据表中数据计算:①反应进行到2h时放出的热量为____________kJ。

②0～1h内N2的平均反应速率为_________mol·L1·h1。

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1.00mol,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2molNH3的同时生成2molH2,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,N2、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)①2h时消耗N2的物质的量为1.50mol1.20mol=0.30mol,由热化学方程式可知,该反应放出的热量为92.2kJ·mol1×0.30mol=27.66kJ。②v(N2)=QUOTEv(NH3)=QUOTE×QUOTE=0.05mol·L1·h1。③由表中数据可知,第3、4h时反应已达到平衡状态,故N2、H2、NH3的平衡浓度分别为0.50mol·L1、1.50mol·L1、0.50mol·L1,故平衡常数K=QUOTE≈0.15(mol·L1)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1.00mol·L1、2.00mol·L1、1.00mol·L1,此时Q=QUOTE<K,故平衡正向移动。答案:(1)②④(2)①27.66②0.05③0.15(mol·L1)2④正10.(15分)(2020·衡水高二检测)在一容积为2L的密闭容器中,加入0.2molN2和0.6molH2,在一定条件下发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。反应中NH3的物质的量浓度的变化情况如图所示,请回答下列问题:(1)根据上图,计算从反应开始到平衡时,平均反应速率v(NH3)为____________。

(2)该反应达到平衡时H2的转化率____________。

(3)反应达到平衡后,第5分钟末,保持其他条件不变,若改变反应温度,达到新平衡时NH3的物质的量浓度不可能为____________。(填序号)

mol·L1 mol·L1mol·L1 mol·L1(4)在第5分钟末将容器的体积缩小一半后,若在第8分钟末达到新的平衡(此时NH3的浓度约为0.25mol·L1),请在上图中画出第5分钟末到此平衡时NH3浓度的变化曲线。(5)若该反应在298K、398K时的化学平衡常数分别为K1、K2,则K1____________K2(填“>”“=”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0.1mol·L1,v(NH3)为0.025mol·L1·min1;(2)该反应达到平衡时氢气反应了0.3mol,转化率为50%;(3)初始N2和H2的物质的量分别是0.2mol、0.6mol,平衡时NH3的物质的量介于0～0.4mol之间,浓度介于0～0.2mol·L1之间;而且温度与图中平衡温度不同,所以NH3的物质的量浓度也不可能是0.10mol·L1;(4)将容器的体积缩小一半的瞬间NH3的浓度变为0.2mol·L1,因为压强增大,平衡右移,NH3的浓度逐渐增大至0.25mol·L1达到新的平衡;(5)温度升高平衡常数减小。答案:(1)0.025mol·L1·min1(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=92.4kJ·mol1。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:容器编号起始时各物质的物质的量/mol达到平衡时体系能量的变化平衡时氨气的体积分数N2H2NH3①130放出热量23.15kJW1②0.92.70.2放出热量QW2下列判断正确的是 ()A.W1>W2,Q<23.15kJ B.W1=W2,Q=23.15kJC.W1<W2,Q>23.15kJ D.W1=W2,Q<23.15kJ【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23.15kJ>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transFe(DMeOPrPE)2的新催化剂,在常温下合成氨,反应方程式可表示为N2+3H22NH3。有关说法正确的是 ()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