工业生产中优化选择(含解析)

2020届高考化学第二轮专题复习课时提升训练工业生产中优化选择1、碳及其化合物与人类生产、生活密切相关。请回答下列问题：(1)在化工生产过程中，少量CO的存在会引起催化剂中毒。为了防止催化剂中毒，常用SO2将CO氧化，SO2被还原为S。已知：①C(s)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO(g)ΔH1＝－126.4kJ·mol－1②C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH2＝－393.5kJ·mol－1③S(s)＋O2(g)=SO2(g)ΔH3＝－296.8kJ·mol－1则SO2氧化CO的热化学方程式为_______________________。(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。①CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图1所示，该反应的ΔH________(填“＞”或“＜”)0。图2表示CO的平衡转化率与起始投料比[eq\f(nH2,nCO)]、温度的变化关系，测得B(x1,60)点氢气的转化率为40%，则x1＝__________。②一定条件下，将2molCO和2molH2置于容积为2L固定的密闭容器中发生上述反应，反应达到平衡时CO与H2体积之比为2∶1，则平衡常数K＝________。答案：(1)SO2(g)＋2CO(g)=S(s)＋2CO2(g)ΔH＝－237.4kJ·mol－1(2)①＜3②4.5解析(1)由盖斯定律可知，2×②－2×①－③即可得所求热化学方程式。(2)①由于温度越高CO的平衡转化率越低，则可推出温度升高平衡向逆反应方向移动，则正反应放热，即ΔH＜0。令CO起始物质的量为1mol，H2的起始物质的量为x1mol，当CO变化0.6mol时，H2变化1.2mol，则有eq\f(1.2,x1)×100%＝40%，解得x1＝3。②列出三段式，先根据两种气体体积比为2∶1，可列式求出平衡浓度c(CH3OH)＝eq\f(1,3)mol·L－1，c(CO)＝eq\f(2,3)mol·L－1，c(H2)＝eq\f(1,3)mol·L－1，然后列式计算K＝eq\f(cCH3OH,cCO·c2H2)＝4.5。2、甲醇是一种重要的试剂，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，在某密闭容器中充入3mol氢气和1mol二氧化碳，测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图A所示：试回答下列问题：(1)该反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。该反应平衡常数的表达式为__________，为了降低合成甲醇的成本可以采用的措施是___________(任意写出一条合理的建议)。(2)解释O～T0内，甲醇的体积分数变化趋势：__________________。(3)氢气在Q点的转化率________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氢气在W点的转化率；其他条件相同，甲醇在Q点的正反应速率________甲醇在M点的正反应速率。(4)图B表示氢气转化率α(H2)与投料比eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(VH2,VCO2)))的关系，请在图B中画出两条变化曲线并标出曲线对应的条件，两条曲线对应的条件分别为：一条曲线对应的压强是1.01×105Pa；另一条曲线对应的压强是3.03×105Pa。(其他条件相同)答案：(1)放热K＝eq\f(cCH3OH·cH2O,c3H2·cCO2)增加CO2的充入量(合理即可)(2)温度低于T0时，反应未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大(3)小于小于(4)如图所示解析(1)W点表示在T0时反应达到平衡状态，达到平衡之后，升高温度，甲醇的体积分数减小，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应是放热反应。该反应平衡常数的表达式K＝eq\f(cCH3OH·cH2O,c3H2·cCO2)，为了降低合成甲醇的成本可以采用的措施是：增加CO2的充入量。(3)Q点时反应未达到平衡状态，反应正向进行，甲醇的体积分数增大，氢气的转化率增大，所以Q点氢气的转化率小于W点的。Q点和M点对应体系中各物质的浓度相同，M点对应的温度较高，反应速率较大。(4)其他条件不变，随着氢气与二氧化碳体积比增大，氢气的转化率减小；该反应的正反应是气体分子数减小的反应，增大压强，氢气转化率增大。3、CO是合成尿素、甲酸的原料。(1)在100kPa和TK下，由稳定单质生成1mol化合物的焓变称为该物质在TK时的标准摩尔生成焓，用符号ΔHθ表示。已知石墨和一氧化碳的燃烧热分别为393.5kJ·mol－1和283.0kJ·mol－1，则CO(g)的ΔHθ＝________________________________。(2)合成尿素的反应：2NH3(g)＋CO(g)CO(NH2)2(g)＋H2(g)ΔH＝－81.0kJ·mol－1；T℃时，在体积为2L的恒容密闭容器中，将2mol的NH3和1molCO混合反应，5min时，NH3的转化率为80%。则0～5min平均反应速率为v(CO)＝___________________________。已知：温度/K398498…平衡常数(K)126.5K1…则：K1________(填“＞”或“＜”)126.5；其判断理由是____。若保持恒温恒容条件，将物质的量之和为3mol的NH3和CO以不同的氨碳比进行反应，结果如图所示：①若图中c表示平衡体系中尿素的体积分数，则a表示________的转化率。②当eq\f(nNH3,nCO)＝________时，尿素含量最大；此时，对于该反应既能增大反应速率又能使平衡正向移动的措施是__________________(写一种)。答案：(1)－110.5kJ·mol－1(2)0.08mol·L－1·min－1＜合成尿素的反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，K减小①CO②2按物质的量之比为2∶1加入NH3和CO4、工业制硫酸生产流程如下图：(1)我国硫铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍以硫磺为原料生产硫酸，理由是_____________________________________。(2)在催化反应中，下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有________(填字母代号)。A．升高温度B．减小压强C．不断补充空气D．及时分离出SO3(3)在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施？________________________________________________________________________。(至少答出两点措施)(4)已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196kJ·mol－1。在450℃、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入2molSO2和1molO2，充分反应后，放出的热量__________(填“<”、“>”或“＝”)196kJ，理由是_____________________________。(5)经检测生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO27%、O211%、N282%。在500℃，0.1MPa条件下达到平衡时，各种气体的体积比为V(SO2)∶V(SO3)∶V(O2)∶V(N2)＝0.46∶6.54∶7.73∶82，则SO2的利用率为__________。答案：(1)硫铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多，处理成本高(2)CD(3)①净化气体；②控制温度在400～500℃；③增大催化剂与反应气体的接触面积(答两点即可)(4)<在1atm和298K条件下，2molSO2和1molO2完全反应生成2molSO3，放出196kJ热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，又因为反应温度为450℃，所以放出的热量小于196kJ(5)93.4%5、氨催化氧化时会发生两个竞争反应：反应Ⅰ：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＝－905.0kJ·mol－1反应Ⅱ：4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)ΔH＝－1266.6kJ·mol－1为分析某催化剂对该反应的选择性，在1L密闭容器中充入1molNH3和2molO2，测得有关物质的量关系如下图：①该催化剂在低温时选择反应______(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。②520℃时，4NH3＋3O22N2＋6H2O平衡常数K＝________________________________(不要求得出计算结果，只需列出数字计算式)。③C点比B点所产生的NO的物质的量少的主要原因是__________________________________________。(2)汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究性小组在实验室以Ag­ZSM­5为催化剂，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。若不使用CO，温度超过775K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为___________________________________，在n(NO)/n(CO)＝1的条件下，为更好地除去NOx物质，应控制在最佳温度在________K左右。答案：(1)①Ⅱ②eq\f(0.22×0.96,0.44×1.453)③该反应为放热反应，温度升高，平衡向左(逆反应方向)移动(2)NO分解反应是放热反应，升高温度不利于反应正向进行8706、德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨，反应原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。(1)在恒温恒容条件下，向反应平衡体系中充入氮气，达到新平衡时，c(H2)将________(填“增大”“减小”“不变”或“无法判断”，下同)，c(N2)·c3(H2)将________。(2)工业上可用CH4与水蒸气制氢气：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。在200℃时2L的密闭容器中，将1molCH4和1molH2O(g)混合，达到平衡时CH4的转化率为80%。则200℃时该反应的平衡常数K＝__________________________________________(保留一位小数)。(3)如图为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下，初始时氮气、氢气的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的体积分数。若分别用vA(NH3)和vB(NH3)表示从反应开始至达平衡状态A、B时的化学反应速率，则vA(NH3)________(填“>”“<”或“＝”)vB(NH3)。答案：(1)减小增大(2)69.1(3)<解析(1)恒温恒容条件下，向反应平衡体系中充入氮气，平衡将向正反应方向移动，故达到新平衡时，c(H2)减小。温度不变，平衡常数K＝eq\f(c2NH3,cN2·c3H2)不变，达到新平衡后，c(NH3)增大，K不变，故c(N2)·c3(H2)也会增大。(2)根据三段式法进行计算：CH4(g)＋H2O