新教材适用2024-2025学年高中化学第2章化学反应速率与化学平衡第4节化学反应的调控提能作业新人教版选择性必修1

其次章第四节A级·基础达标练一、选择题1．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(C)A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B．上升温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D．合成氨采纳的压强是1×107～3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高解析：运用催化剂只加快反应速率，对化学平衡移动没有影响，故A说法错误；上升温度，加快反应速率，合成氨为放热反应，依据勒夏特列原理，上升温度，化学平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨，故B说法错误；合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，增大压强，加快反应速率，缩短达到平衡状态所用时间，故C说法正确；合成氨采纳的压强是1×107～3×107Pa，考虑对材料的强度和设备的制造要求，与铁触媒的活性之间无关系，故D说法错误。2．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可实行的措施有(C)①增大容器体积使压强减小②减小容器体积使压强增大③上升温度④降低温度⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2⑦刚好分别产生的NH3⑧运用催化剂A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．只有②⑤ D．①②③⑤⑧解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率上升，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②④⑤⑦使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑥⑧不影响化学平衡，①③使化学平衡向左移动。3．合成氨反应通常限制在10MPa～30MPa的压强和400～500℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为13，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)如表所示：压强20MPa30MPa500℃19.126.4而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明(D)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解析：这说明实际合成氨工业中须要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肯定的时间，时间太长得不偿失。二、非选择题4．2024年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1，在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NHeq\o\al(*,2)；NHeq\o\al(*,2)＋H*NHeq\o\al(*,3)脱附：NHeq\o\al(*,3)=NH3(g)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_AD__。A．低温 B．高温C．低压 D．高压E．催化剂(2)实际生产中，常用Fe作催化剂，限制温度773K，压强3.0×107Pa，原料中N2和H2物质的量之比为12.8。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在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率__。解析：(1)eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1是气体体积减小的放热反应。低温有利于平衡正向进行，提高氨气产率，故A正确；高温平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故B错误；低压平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故C错误；高压平衡正向进行，利于提高氨气产率，故D正确；催化剂只变更反应速率，不改变更学平衡，不能提高氨气产率，故E错误。(2)原料中N2和H2物质的量之比为12.8，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在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。5．二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”。由合成气制备二甲醚的主要原理如下：①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH1＝－111kJ·mol－1②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH2＝－23.5kJ·mol－1③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH3＝－41.2kJ·mol－1回答下列问题：(1)则反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝_－286.7__kJ·mol－1。(2)下列措施中，能提高CH3OCH3产率的有_AC__。A．运用过量的COB．上升温度C．增大压强(3)反应③能提高CH3OCH3的产率，缘由是_消耗了反应②生成的H2O(g)，有利于反应②正向进行，同时生成了H2有利于反应①正向移动__。(4)将合成气以eq\f(nH2,nCO)＝2通入1L的反应器中，肯定条件下发生反应：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH，其CO的平衡转化率随温度、压强变更关系如图1所示，下列说法正确的是_A__。A．ΔH<0B．p1<p2<p3C．若在p3和316℃时，起始时eq\f(nH2,nCO)＝3，则达到平衡时，CO转化率小于50%(5)采纳一种新型的催化剂(主要成分是Cu－Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚。视察图2回答问题。催化剂中eq\f(nMn,nCu)约为_2.0__时最有利于二甲醚的合成。(6)甲醇液相脱水法制二甲醚的原理是CH3OH＋H2SO4=CH3HSO4＋H2O，CH3HSO4＋CH3OH=CH3OCH3＋H2SO4。与合成气制备二甲醚比较，该工艺的优点是反应温度低、转化率高，其缺点是_H2SO4腐蚀设备或有硫酸废液产生__。解析：(1)依据盖斯定律，①×2＋②＋③得3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)ΔH＝－286.7kJ·mol－1。(2)增大反应物的浓度平衡正移，所以运用过量的CO，能提高CH3OCH3产率，故A正确；该反应为放热反应，上升温度平衡逆移，则CH3OCH3产率会降低，故B错误；该反应正方向为气体体积减小的方向，所以增大压强平衡正移，能提高CH3OCH3产率，故C正确。(3)已知反应③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，能消耗水，使反应②中平衡正向移动，所以CH3OCH3的量增加；同时此反应生成了H2，有利于反应①正向移动。(4)由图可知随温度上升，CO的转化率降低，说明上升温度平衡逆移，则正方向为放热反应，故ΔH<0，故A正确；该反应正方向为气体体积减小的方向，增大压强CO的转化率增大，所以p1>p2>p3，故B错误；若在p3和316℃时，起始时eq\f(nH2,nCO)＝3，则增大了氢气的量，增大氢气的浓度，平衡正移，CO的转化率增大，所以CO转化率大于50%，故C错误。(5)由图可知当催化剂中eq\f(nMn,nCu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。(6)该反应有硫酸参与，因为硫酸是强酸，具有较强的腐蚀性，能腐蚀设备。B级·实力提升练一、选择题1．在肯定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是(A)A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为13时，达到平衡时氨的体积分数最大B．增加铁触媒的接触面积，不行能提高合成氨工厂的年产量C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比肯定为32D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小肯定相同解析：当氮气和氢气投料比为13时，v(N2)v(H2)＝13，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决于起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不肯定为32，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。2．某工业生产中发生反应：2X(g)＋Y(g)2M(g)ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是(D)A．工业上合成M时，肯定采纳高压条件，因为高压有利于M的生成B．若物质Y价廉易得，工业上一般采纳加入过量的Y的方法，以提高X和Y的转化率C．工业上一般采纳较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高D．工业生产中常采纳催化剂，因为运用催化剂可提高M的日产量解析：虽然高压条件有利于M生成，但不肯定都采纳高压条件，如2SO2＋O22SO3，常压下SO2的转化率已经很高，高压对SO2的转化率影响不大，因而工业上采纳常压；加入Y，X的转化率提高，但Y的转化率降低；ΔH<0，上升温度，反应物转化率降低；催化剂可加快化学反应速率。3．对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在一密闭容器中加入肯定量的N2和H2，达到平衡时混合气体的压强为p1，快速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2，一段时间后达到新的平衡，此时混合气体的压强为p3，则p1、p2、p3的大小关系是(B)A．p2>p1>p3 B．p2>p3>p1C．p2>p1>p3 D．p2>p1＝p3解析：依据勒夏特列原理，变更某一外界条件时，平衡只能向减弱这种变更的方向移动。4．已知：2SO2(g)＋O2(g)=2SO3(g)ΔH＝－197.8kJ·mol－1。起始反应物为SO2和O2(物质的量之比为21，且总物质的量不变)SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变更如下表，下列说法不正确的是(B)温度/K压强/(105Pa)1.015.0710.125.350.767399.299.699.799.899.972397.598.999.299.599.677393.596.997.898.699.0A．肯定压强下降低温度，SO2的转化率增大B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所须要的时间相等C．运用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间D．工业生产通常不实行加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高解析：由表格数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，肯定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO2的转化率增大，A正确；由于在不同温度、压强下，化学反应速率不肯定相等，故转化相同物质的量的SO2所须要的时间不肯定相等，B错误；催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短到达平衡所花的时间，C正确；由图中数据可知，不同温度下，1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%，97.5%，93.5%，已经相当高了，且加压后转化率上升并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。二、非选择题5．甲醇是一种重要的有机化工原料，需求量巨大。我国独创的联醇工艺的核心是采纳一氧化碳加氢中压合成法，主要反应如下：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＝－111.0kJ·mol－1另有副反应：4CO＋2H2O=3CO2＋CH4等；中压法操作：压力为10～15MPa，温度限制在513～543K，所用催化剂是CuO－ZnO－Al2O3。合成甲醇的流程如图所示：请回答：(1)实际生产中CO不能过量，以免生成羰基铁使催化剂失去活性，而氢气过量是有益的，指出两点理由：_既可以防止或削减副反应发生，又可带走反应热避开催化剂过热而中毒__。(2)实行10～15MPa压力的作用是_加压有利于提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜实行经济效益较好的压力__；温度限制在513～543K的缘由是_此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大__。(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，该反应的化学方程式为H2S＋CaO=CaS＋H2O。(4)若CO的转化率为80%，当有22.4m3(标准状况)CO与过量H2充分反应(不计其他副反应)，可制得纯度为96%的甲醇的质量为_26.67__kg，同时获得热量_8.88×104__kJ。解析：(1)氢气过量提高一氧化碳的转化率，防止副反应发生，大量的气流又可带走反应放出的热量。(2)CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)ΔH＝－111.0kJ·mol－1，正反应是气体体积缩小的反应，增大压强虽然有利于平衡正向移动，提高甲醇的产量，提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜实行经济效益较好的压力；正反应是放热反应，从有利于甲醇生成的角度考虑应是低温，但温度过低达不到催化剂的活性，所以此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大。(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，生成硫化钙和水，所以反应的化学方程式为H2S＋CaO=CaS＋H2O。(4)依据CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)得1mol的一氧化碳生成32×10－3kg的甲醇，22.4m3(标准状况)的物质的量为eq\f(22.4×103,22.4)＝103mol，所以可制得纯度为96%的甲醇的质量为eq\f(103×80%×32×10－3,96%)≈26.67kg，依据CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)ΔH＝－111.0kJ·mol－1，1molCO完全反应放出111kJ的热量，103mol×80%＝800mol，所以放出热量为111×800＝8.88×104(kJ)。6．工业合成氨的反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92kJ·mol－1(1)依据下表数据计算x＝_946__。化学键H—HN—HN≡N键能/kJ·mol－1436386x(2)在体积为VL的恒容密闭容器中发生上述反应，其平衡常数K与温度T的关系如表：T/K298398498平衡常数K4.1×106K1K2①推断K1_>__K2。(填“>”“＝”或“<”)②398K时进行合成氨反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_AC__。(填字母)A．混合气体的平均摩尔质量保持不变B．v正(N2)＝3v逆(H2)C．容器内压强保持不变D．混合气体的密度保持不变(3)甲同学为了探究外界条件对反应的影响，以c0mol·L－1H2参与合成氨反应，在a、b两种条件下分别达到平衡，测得H2的浓度与反应时间的关系如图甲所示。①a条件下，0～t0的平均反应速率v(N2)＝eq\f(c0－c1,3t0)mol·L－1·min－1。②相对a而言，b可能变更的条件是_增加N2浓度__。③在a条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的eq\f(1,2)，t2时刻重新建立平衡状态。则图甲中在t1到t2时刻c(H2)的变更曲线可能为_B__(填“A”“B”“C”或“D”)。(4)乙同学向一恒温恒压容器中充入9molN2和23molH2，模拟合成氨的反应，图乙表示温度T时平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(p)的关系。若体系在60MPa下达到平衡。①此时N2的平衡分压为_9__MPa。(分压＝总压×物质的量分数)②经计算可得此时的平衡常数Kp＝_0.043_MPa－2__。(用平衡分压代替平衡浓度计算，结果精确到0.001)解析：(1)ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能＝[(x＋3×436)－(2×3×386)]kJ·mol－1＝－92kJ·mol－1，解得x＝946。(2)①反应ΔH<0，说明反应放热，上升温度反应逆向进行，则温度越高K值越小，所以K1>K2；②反应前后质量守恒，m不变，气体物质的量发生变更，所以平均摩尔质量变更，混合气体的平均摩尔质量保持不变可以说明反应达到平衡状态，故A正确；3v正(N2)＝v逆(H2)，反应达到平衡，故B错误；该反应前后气体分子数发生变更，恒容，容器内压强保持不变，说明各组分含量保持不变，反应达到平