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-工业合成氨课时分层作业含解析鲁科版选择性必修1

PAGEPAGE8化学反应条件的优化——工业合成氨(建议用时：40分钟)[合格过关练]1．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采纳“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O2eq\o(,\s\up8(催化剂),\s\do9(△))2SO3的说法中正确的是()A．只要选择相宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量削减，SO3中18O含量增多D．在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题D[反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，A错；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。]2．德国哈伯独创以低成本制造大量氨的方法，流程图中为提高原料转化率而实行的措施是()A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④B[氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反应是气体体积减小的放热反应。净化气体是防止杂质气体对催化剂的影响，不能提高原料的转化率，①不符合；加压，平衡正向移动，可以提高原料的利用率，②符合；运用催化剂，可以加快反应速率，但平衡不移动，不能提高原料转化率，③不符合；分别出氨气，平衡正向移动，提高了原料的转化率，④符合；氮气和氢气的再循环，可提高原料的转化率，⑤符合。]3．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，在反应过程中，正反应速率的变更如图所示。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B[t1时反应达到平衡，t1～t2，v正先增大后渐渐减小，说明平衡正向移动，依据ΔH＜0可知，该反应的正反应为放热反应，上升温度，平衡逆向移动，故t1时不是上升温度，可能是增大压强或者增大反应物的浓度，故A项错误；t2～t3，正、逆反应速率同等程度增大，可能是运用了催化剂，故B项正确；t3～t4，v(正)先减小后渐渐增大，而增大压强，正、逆反应速率都会增大，故C项错误；t4时正反应速率渐渐减小，应是减小反应产物(NH3)的浓度，若是降低温度，则在t4时v(正)应陡降，曲线不连接，故D项错误。]4．在某恒容密闭容器内，N2、H2的起始物质的量分别为10mol、30mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3起先反应，在相同条件下欲使平衡时各组分的百分含量相同，则应加入的NH3的物质的量及NH3的转化率为()A．15mol,25% B．20mol,50%C．20mol,75% D．40mol,80%C[从N2、H2起先反应时，N2为10mol，H2为30mol，若从NH3起先反应，并且平衡时各组分的百分含量与前者相同，则NH3的物质的量必需是20mol，故A、D项错误。设从NH3起先反应时，NH3转化的物质的量为x，则有20mol－x＝2×10mol×25%，解得x＝15mol，故NH3的转化率为eq\f(15mol,20mol)×100%＝75%。]5．(素养题)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∶压强20MPa60MPa50019.142.2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D[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，因此答案选D。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肯定的时间，时间太长得不偿失。]6．在合成氨反应中运用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是()A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响D．运用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果C[对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，运用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。故答案为C。]7．(双选)肯定条件下，将10.0molH2和1.0molN2充入恒容密闭容器中，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并达到平衡状态，则H2的转化率可能是()A．15% B．18%C．30% D．75%AB[对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。利用“极值法”，假设N2完全转化，则消耗的H2的物质的量为n(H2)＝3n(N2)＝3.0mol，但事实上，N2是不行能完全转化的，因而消耗的H2的物质的量肯定小于3.0mol，故H2的转化率α(H2)＜eq\f(3.0mol,10.0mol)×100%＝30%。综上所述，本题选AB。]8．某温度下，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，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1molN2和3molH2置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJB．平衡状态由A到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．上升温度，平衡常数K增大C[该反应为可逆反应，加入的1molN2和3molH2不行能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4kJ，A项错误；从状态A到状态B，变更的是压强，温度未发生变更，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；上升温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。]9．在反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0的平衡体系中，当恒温恒压条件下t1时刻分别出NH3时，下列说法正确的是()A．t1时刻后的速率变更如图所示B．t1时刻后达到新平衡前Q＞KC．新平衡体系中NH3的含量增大D．N2的平衡转化率增大D[分别出NH3，使体系中NH3的含量减小，则达到新平衡前Q＜K，v(正)＞v(逆)，平衡向正反应方向移动，故N2的平衡转化率增大。]10．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，下列探讨结果和图示相符的是()选项ABCD探讨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，故错误；B项由于此反应ΔH＜0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，故错误；C项增大N2的量，会使正反应速率增大，使化学平衡右移，故正确；D项运用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，故错误。]11．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来汲取原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)2]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·COΔH＜0。(1)必需除去原料气中CO的缘由是___________________________________________________________________________________________________。(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)汲取CO的生产相宜条件应是________________。(3)汲取CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，复原其汲取CO的实力以供循环运用。醋酸铜氨溶液再生的生产相宜条件应是________。[解析]分析汲取CO反应的特点：正反应是气体体积缩小的放热反应，对于这样一个可逆反应，用化学平衡原理及有关合成氨相宜条件的选择学问即可作答。[答案](1)防止合成塔中的催化剂中毒(2)低温、高压(3)高温、低压12．一密封体系中发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)。如图为某一时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：回答下列问题：(1)处于平衡状态的时间段是__________________。(2)t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变更？______________、______________、______________。[解析]本题主要是学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变更而变更，说明在此条件下反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v(逆)＞v(正)，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，故温度上升，v(逆)＞v(正)。图中t3时刻速率增大，而且变更过程中v(逆)＝v(正)，说明平衡未被打破，所以应当是催化剂导致的。图中t4时刻的变更，v′(逆)、v′(正)都减小且v′(逆)>v′(正)，所以变更条件应为减小压强。[答案](1)0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6(2)温度上升加入催化剂减小压强13．利用水煤气合成二甲醚(CH3OCH3)所涉及的反应如下：①2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)，平衡常数K1；②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，平衡常数K2；③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，平衡常数K3。(1)总反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的平衡常数K＝________(用K1、K2、K3表示)。(2)肯定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以实行的措施有________(填字母代号)。a．加压b．加入催化剂c．增大H2的浓度d．增大CO的浓度e．分别出二甲醚(3)已知反应②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)在某温度下的平衡常数为400。此温度下，在密闭容器中加入CH3OH，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：物质CH3OHCH3OCH3H2O浓度/(mol·L－1)0.440.60.6若经10min反应达到平衡，则c(CH3OH)＝________。[解析](1)总反应可由①×2＋②＋③得到，即K＝Keq\o\al(2,1)K2K3。(2)总反应是气体体积减小的反应，所以加压，平衡右移；增大反应物H2的浓度、减小产物的浓度，都会使CO的转化率上升。(3)初始时CH3OH的浓度为0.44mol·L－1＋2×0.6mol·L－1＝1.64mol·L－1，设平衡时CH3OCH3的浓度为xmol·L－1，则2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)eq\a\vs4\al(初始浓度/,mol·L－1)1.6400eq\a\vs4\al(转化浓度/,mol·L－1)2xxxeq\a\vs4\al(平衡浓度/,mol·L－1)1.64－2xxx则平衡常数K＝eq\f(x2,1.64－2x2)＝400，x＝0.8，平衡时CH3OH的浓度为1.64mol·L－1－0.8mol·L－1×2＝0.04mol·L－1。[答案](1)Keq\o\al(2,1)K2K3(2)ace(3)0.04mol·L－1[素养培优练]14．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()A．p2＞p1＞p3 B．p2＞p3＞p1C．p2＞p1＞p3 D．p2＞p1＝p3B[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。]15．肯定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为1∶3的N2和H2。起先时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率()A．a中大 B．b中大C．a、b中一样大 D．无法推断A[由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。]16．(双选)相同温度下，有体积相同的甲、乙两个恒容容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是()A．化学反应速率：乙＞甲B．平衡后N2的浓度：乙＞甲C．H2的平衡转化率：乙＞甲D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙＞甲CD[因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确。假设起先时乙容器的体积也是甲的2倍(如图所示)，则此时甲、乙两容器中达到的平衡是等效平衡。再将乙容器的体积压缩至与甲相等(如图中丙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C、D项错误。此时，丙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但丙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而丙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，B项正确。]17．肯定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应如下：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1，探讨发觉，反应过程中会有副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2，温度对CH3OH、CO产率的影响如图所示。下列说法错误的是()A．ΔH1＜0，ΔH2＞0B．增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率D．合成CH3OH反应的平衡常数K＝eq\f(c平H2O·c平CH3OH,c平CO2·c\o\al(3,平)H2)C[A项，依据图像可知，上升温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)向逆反应方向移动，ΔH1＜0，上升温度CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)向正反应方向移动，ΔH2＞0，正确；B项，增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率，正确；C项，由图像可知，温度越高CH3OH的产率越低，错误；D项，依据化学平衡常数的概念，合成CH3OH反应的平衡常数K＝eq\f(c平CH3OH·c平H2O,c平CO2·c\o\al(3,平)H2)，正确。]18．工业上一般在恒容密闭容器中采纳下列反应合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＜0图1图2(1)图1表示的是肯定温度下，在体积为2L的密闭容器中加入5molH2和肯定量的CO后，CO和CH3OH(g)的浓度随时间的变更状况。反应在10min时达到平衡，从反应起先到达到平衡，用H2表示的平均反应速率v(H2)＝____________________________________________________________________。(2)图2表示在温度分别为T1、T2时，平衡体系中H2的体积分数随压强变更的曲线，A、C两点的反应速率A________C(填“＞”“＝”或“＜”，下同)，A、C两点