鲁科版化学选修《化学反应条件的优化-工业合成氨》教案

第2章第4节(45分钟100分)(本栏目内容，在学生用书中以活页形式分册装订！)一、选择题(本题包括10小题，每小题5分，共50分)1．合成氨反应的特点是()①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热⑤正反应气体总体积增大⑥正反应气体总体积缩小A．①③⑤ B．②④⑥C．①③⑥ D．④⑤⑥答案：C2．合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是()A．加快反应速率 B．提高NH3的平衡浓度C．降低NH3的沸点 D．提高N2和H2的利用率解析：合成氨是可逆反应，在中压工艺条件下合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%～14%，循环使用可提高N2和H2的利用率。答案：D3．(2010·上海高考)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．②④⑤C．①③⑤ D．②③④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，②、④正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，⑤正确。答案：B4．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是()A．从合成塔出来的混合气体，其中氨气只占13%～14%，所以生产氨的工厂效率都很低B．由于氨易液化，N2(g)、H2(g)是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高C．合成氨反应温度控制在500℃D．合成氨采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大解析：虽然从合成塔出来的混合气体中氨气只占13%～14%，但由于氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高；合成氨是放热反应，选择高温不利于氨气的合成，选择500℃答案：B5．(2011·汕头高二质检)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合成氨的新途径解析：由图可知：φ(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高φ(NH3)必须降低温度，但目前所用催化剂——铁触媒活性最好时的温度在700K左右。故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。答案：C6．高温下，某反应达平衡，平衡常数K＝eq\f([CO]·[H2O],[CO2]·[H2])。恒容时，温度升高，H2浓度减小。下列说法正确的是()A．该反应的焓变为正值B．恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小C．升高温度，逆反应速率减小D．该反应化学方程式为CO＋H2Oeq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(高温))CO2＋H2解析：由平衡常数表达式写出可逆反应为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，D项错误；由于升高温度，H2浓度减小，说明升温平衡向正反应方向进行，因此正反应是吸热的，焓变为正值，A项正确；由于反应前后气体体积相等，增大压强平衡不移动，但若通入H2其浓度会增大，B项错误；升高温度，正逆反应速率都会增大，C项错误。答案：A7．工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反应的图象中，错误的是()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，A正确；在T1时NH3%最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，NH3%减小，B正确，C错误；增大压强，平衡向右移动，NH3%增大，D正确。答案：C8．(2011·宁波高二质检)有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采用的正确措施是()A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂解析：要增加甲醇的产量，需要从两方面考虑：一提高反应速率，可采取较高的温度，较大的压强，使用催化剂；二增大反应限度，低温、高压，有利于该可逆反应的平衡右移，所以可采取适宜温度、高压、催化剂。答案：B9．(2011·福州高二质检)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·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时降低了温度解析：若t1时升高了温度，则随后v正应增大至平衡，A错；若t3增大了压强，v正应增大，而不会减小，故C错；若t4时降低了温度，则v正应突然减小，曲线不应相连，D错。答案：B10．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80%解析：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，故A和D是错误的。设以NH3开始反应时，氨转化的物质的量为x，那么有20mol－x＝2×10mol×25%，x＝15mol氨的转化率：eq\f(15mol,20mol)×100%＝75%。答案：C二、非选择题(本题包括4小题，共50分)11．(12分)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)ΔH＝－92.44kJ·mol－1，其部分工艺流程如图所示：反应体系中各组分的部分性质见下表气体氮气氢气氨熔点/℃－210.01－252.77－77.74沸点/℃－195.79－259.23－33.42回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K＝________________________________________________________________________。随着温度升高，K值________(填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)K值越大，表明________(填字母)。A．其他条件相同时N2的转化率越高 B．其他条件相同时NH3的产率越大C．原料中N2的含量越高 D．化学反应速率越快(3)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________分离出来；继续循环的气体是________。解析：(1)由化学方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)不难写出：K＝eq\f([NH3]2,[N2][H2]3)，此反应ΔH<0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向左移动，[NH3]减小，[N2]和[H2]增大，故K减小。(2)K值越大，说明[NH3]越大，[N2]和[H2]就越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同时N2的转化率就越高，NH3的产率就越大。(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N2和H2循环使用，以提高产率。答案：(1)eq\f([NH3]2,[N2][H2]3)减小(2)AB(3)－33.42℃氨N2和H12．(12分)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。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[入料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4(1)比较200℃和300℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________方向移动，正反应方向为________(填“吸热”或“放热(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是________。A．高温高压 B．高温低压C．低温高压 D．低温低压(3)计算500℃，30MPa时N2(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：__________________________________________________________。解析：(1)由表中数据可以看出，在1个标准大气压下，200℃NH3的百分含量比300℃中NH(2)由表中数据知，在相同压强下，温度越高，NH3的百分含量越低；相同温度时，压强越大，NH3的百分含量越高，故合成氨适宜条件是低温高压。(3)N2＋3H22NH3起始130转化n3n2n平衡1－n3－3n2neq\f(2n,1－n＋3－3n＋2n)×100%＝26.4%n＝0.4177故N2的转化率为eq\f(0.4177,1)×100%＝41.77%。答案：(1)左(或逆反应)放热(2)C(3)41.77%(4)加入过量的N2(或及时从平衡混合物中移走NH3)13．(12分)(2011·南通高二质检)对于2XY(g)的体系，在压强一定时，平衡体系中Y的质量分数w(Y)随温度的变化情况如右图所示(实线上的任何一点为对应温度下的平衡状态。)(1)该反应的正反应方向是一个____反应(填“吸热”或“放热”)。(2)A、B、C、D、E各状态中，v(正)<v(逆)的是________。(3)维持t1不变，E→A所需时间为x，维持t2不变，D→C所需时间为y，则x______y(填“<”“>”或“＝”)。(4)欲要求使E状态从水平方向到C状态后，再沿平衡曲线到达A状态，从理论上来讲，可选用的条件是____________________________________________________。解析：由图可知，随着温度的升高，w(Y)逐渐减少，说明平衡逆向移动，则正反应方向是放热反应。A、B、C、D、E中A、B、C在平衡曲线上，则A、B、C都处于各自的平衡状态中，D、E两点不在平衡曲线上，即它们没有达到化学平衡，因为E状态的w(Y)比该温度下平衡时的小，所以平衡正向移动，v(正)>v(逆)，D状态的w(Y)比该温度下的平衡状态时的大，平衡逆向移动，此时v(逆)>v(正)。D、E要达到各自温度下的平衡状态所转化的Y的物质的量，因为D处的温度比E处的温度高，D处反应速率快，所以D处达到平衡所需时间短。E→C，要满足w(Y)不变，温度升高，只有采取突然升温，C→A的变化符合平衡曲线，意味着要经过无数个温度下的平衡状态的点后，C才能到达A，所以只有采取无限缓慢地降温。答案：(1)放热(2)D(3)>(4)先突然升温到t2，然后无限缓慢地降低温度到t114．(16分)(2011·深圳高二质检)科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。(1)目前合成氨技术原理为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1①673K,30MPa下，上述合成氨反应中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的大B．点c处反应达到平衡C．点d和点e处的n(N2)相同D．773K,30MPa下，t2时刻也是该反应的平衡点，则n(NH3)比图中e点的值大②在容积为2.0L恒容的密闭容器中充入0.80molN2(g)和1.60molH2(g)，反应在673K、30MPa下进行，达到平衡时，NH3的体积分数为20%。该条件下反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数K＝________。(2)根据最新“人工固氮”的研究报道，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生下列反应：N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋eq\f(3,2)O2(g)ΔH＝akJ·mol－1进一步研究NH3生成量与温度的关系，常压下达到平衡时测得部分实验数据如下表：T/K303313323NH3生成量/(10－6mol)4.85.96.0①此合成反应的a________0；ΔS________0。(填“>”、“<”或“＝”)②已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－12H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH＝－571.6kJ·mol－1则N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋eq\f(3,2)O2(g)ΔH＝____________kJ·mol－1。解析：(1)①a、b两点均未达到平衡，正反应速率大于逆反应速率，且正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，则点a的正反应速率比点b的大；点c处，[H2]＝[NH3]，相等并不是不变，此点未达到平衡；点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处都是处在平衡状态，n(N2)或[N2]不变；温度升高，合成氨的可逆反应平衡逆向移动，n(H2)或[H2]增大，n(NH3)减小。②设在反应过程中N2的物质的量的变化为x。3H2＋N22NH3始/mol1.600.80