2024-2025学年新教材高中化学第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-工业合成氨测评含解析鲁科版选择性必修1

PAGE11-第4节化学反应条件的优化——工业合成氨课后篇素养形成必备学问基础练1.德国化学家哈伯独创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实行的措施是()A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④答案B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。2.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)随时间变更的关系如图所示。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点的值大答案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点的时候各种物质的浓度仍在变更,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变更;上升温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。3.对于合成氨工业,只从提高原料转化率看,从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分别出氨A.②④⑤ B.②④⑦ C.①④⑤ D.②③⑥答案B解析合成氨反应为N2+3H22NH3ΔH<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;加催化剂只会变更速率却无法变更转化率;刚好分别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。4.合成氨反应通常限制在20~50MPa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.生产条件限制不当C.氨的分解速率大于预料值D.合成塔中的反应并未达到平衡答案D解析表中数据为通过科学试验所得,不行能有明显误差;合成氨连续操作,不行能对生产条件限制不当;平衡浓度问题与速率的大小没有干脆关系,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须要确定的时间,时间太长得不偿失。5.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.v(H2)始=7mol·L-1·h-1B.c始(H2)=13mol·L-1C.c始(N2)=5mol·L-1D.H2的转化率为46.2%答案A解析由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4mol·L-1,说明转化了4mol·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2mol·L-1,H2消耗了6mol·L-1,所以c始(H2)=13mol·L-1,c始(N2)=5mol·L-1,H2的转化率为6mol·6.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变更如图:下列说法正确的是()A.t1时上升了温度 B.t2时运用了催化剂C.t3时增大了压强 D.t4时降低了温度答案B解析若t1时上升了温度,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。7.在确定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,起先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%答案A解析由题意设起先时H2、N2、NH3的物质的量分别为3mol、1mol、1mol。平衡时N2转化了amol,则依据“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+2a则1-a1+2N2的转化率为0.8.在确定温度下,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。起先时体积相同,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.无法推断答案A解析先假设a容器起先时也保持容积不变,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容器的压强比起先变小了。由于容器a恒压,若要保持起先时的压强,必定要缩小容器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。9.在450℃时发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。若体系中只变更下列条件,请把影响结果填入表中。变更条件正反应速率逆反应速率平衡移动N2的转化率(1)增大N2的浓度(2)增大NH3的浓度(3)减小NH3的浓度(4)压缩体积增大压强(5)上升温度(6)加入催化剂(7)体积不变充入氖气答案(1)增大增大正向移动减小(2)增大增大逆向移动减小(3)减小减小正向移动增大(4)增大增大正向移动增大(5)增大增大逆向移动减小(6)增大增大不移动不变(7)不变不变不移动不变关键实力提升练10.在密闭容器中进行如下反应:N2+3H22NH3ΔH<0,当反应达到平衡时,其他条件不变,若压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,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的百分含量减小答案B解析压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,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。11.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。依据此图分析合成氨工业最有前途的探讨方向是()A.提高分别技术B.研制耐高压的合成塔C.研制低温催化剂D.探究不用N2和H2合成氨的新途径答案C解析由题图可知,NH3的体积分数随着温度的上升而显著下降,故要提高NH3的体积分数,必需降低温度,但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K,故最有前途的探讨方向为研制低温催化剂。12.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.运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答案B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。13.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,上升温度,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,但不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,是因为催化剂变更反应途径,降低反应的活化能答案D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,上升温度,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,又有利于提高H2的转化率,C项错误;加入催化剂,变更了反应途径,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。14.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,条件发生变更与速率变更的关系不符合实际的是()答案A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,若上升温度,化学平衡左移,事实上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A项错误;假如给体系加压,体系中全部物质的浓度都增大,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;运用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能变更更学反应速率,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,分别出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。15.将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中,在确定条件下,发生如下反应并达到平衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。当变更某个条件并维持新条件直至新的平衡时,下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是()选项变更条件新平衡与原平衡比较A上升温度N2的转化率变小B压缩容积使压强增大N2的浓度变小C充入确定量H2H2的转化率增大D运用适当催化剂N2的体积分数变小答案A解析上升温度,平衡逆向移动,则N2的转化率变小,A正确;压缩容积使压强增大,平衡正向移动,由于容器的容积减小,则达到新平衡后N2的浓度仍变大,B错误;充入确定量的H2,平衡正向移动,N2的转化率增大,但H2的转化率减小,C错误;运用适当催化剂,可变更更学反应速率,但平衡不移动,则N2的体积分数不变,D错误。16.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。依据已学学问回答下列问题[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1]:(1)合成氨工业实行的下列措施不行用平衡移动原理说明的是(填序号)。

A.接受较高压强(20~50MPa)B.接受500℃的高温C.用铁触媒作催化剂D.将生成的氨液化并刚好从体系中分别出来(2)合成氨工业中接受了较高压强(20~50MPa),而没有接受100MPa或者更大压强,试说明没有这么做的理由。

(3)在容积均为2L(容器体积不行变)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α乙(填“>”“<”或“=”)。

答案(1)BC(2)接受更大压强会要求运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)(3)4α解析(1)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;接受500℃不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500℃左右催化剂活性最大。催化剂只变更反应速率,不变更平衡移动;生成氨液化并分别出来,削减体系中氨的浓度,平衡正向移动。(2)接受更大压强,须要运用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。(3)在甲容器中,反应的N2为2mol×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甲则K=(2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,即甲容器中的平衡正向移动的程度更大,所以α甲>α乙。学科素养拔高练17.电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,下列说法不正确的是()A.N2生成NH3是通过多步还原反应实现的B.两个氮原子上的加氢过程同时进行C.析氢反应(H*+H*H2)会影响NH3的生成D.NH3的刚好脱附有利于提高催化剂活性答案B解析由图可知,N2生成NH3是通过N2→*N2→*NNH……NH3多步还原反应实现的,故A不符合题意;由图可知,加氢过程是分步进行的(*N2→*NNH→*NHNH),故B符合题意;析氢反应(H*+H*H2)会导致NH3中H不足,从而影响NH3的生成,故C不符合题意;NH3的刚好脱附,能够增加催化剂与反应物的接触面积,即有利于增加催化剂活性,故D不符合题意。18.合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。N2和H2生成NH3的反应为:12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;NH2*+H*N脱附:NH3*NH3其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,确定了合成氨的整体反应速率。请回答:(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(2)标准平衡常数Kθ=p(NH3)pθ[p(N2)pθ]0.5[p(H2)pθ]1.5,其中pθ为标准压强(1×105①N2和H2起始物质的量之比为1∶3,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则标准平衡常数Kθ=(用含w的最简式表示)。

②下图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变更趋势的是。

(3)实际生产中,常用工艺条件:Fe做