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学业分层测评 鲁科版选修.docx
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化学反应条件的优化——工业合成氨
(建议用时:
45分钟)
[学业达标]
1.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.使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
【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,答案选B。
【答案】 B
2.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列措施与平衡移动无关的是( )
A.不断将氨分离出来
B.使用催化剂
C.采用700K左右的高温而不是900K的高温
D.采用2×107~5×107Pa的压强
【解析】 把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,相对较低温度(700K)利于反应向右进行,同时该反应是气体物质的量减小的反应,尽可能采取高压利于正反应,A、C、D都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为增大反应速率,与平衡无关。
【答案】 B
3.(2016·聊城高二质检)合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得,其中的一步反应为:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g) ΔH<0
反应达到平衡后,为提高CO的转化率,下列措施中正确的是( )【导学号:
05310091】
A.增加压强 B.降低温度
C.增大CO的浓度D.更换催化剂
【解析】 选项A,该反应为反应前后气体分子数相等的反应,压强对CO的转化率无影响;选项B,该反应为放热反应,降低温度有利于化学平衡向右移动,提高CO的转化率;增大CO的浓度会降低CO的转化率;选项D,更换催化剂不能使化学平衡发生移动。
【答案】 B
4.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NH3只占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中是循环使用,所以总体来说氨的产率较高
C.合成氨工业的反应温度控制在700K左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨厂采用的压强是2×107Pa~5×107Pa,因为该压强下铁的活性最大
【解析】 合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时,原料的转化率并不高,但生成的NH3分离出后,再将未反应的N2、H2循环利用,这样处理后,可使氨的产率较高,A错误,B正确;合成氨工业选择700K左右的温度,主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑,合成氨的反应是放热反应,低温才有利于平衡向正反应方向移动,C错误;不论从反应速率还是化学平衡考虑,高压更有利于合成氨,但压强太大,对设备、动力的要求更高,因此选择20MPa~50MPa,D错误。
【答案】 B
5.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,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率
C.达到平衡后,缩小容器体积,既有利于加快正、逆反应速率,又有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,是因为正反应速率增大了,而逆反应速率减小了
【解析】 达到平衡后,加入N2,平衡将向正反应方向移动,达到新平衡后,NH3的浓度会增大,而N2的浓度不会减小;达到平衡后,升高温度,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;达到平衡后,缩小容器体积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,有利于提高H2的转化率;加入催化剂,能同等程度地增大正、逆反应速率,缩短反应达到平衡的时间。
【答案】 C
6.接触法制硫酸工艺中,其主要反应2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH<0,在450℃并有催化剂存在条件下建立平衡,为使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的是( )【导学号:
05310092】
A.及时分离出SO3气体
B.选择高效的催化剂
C.适当升高温度
D.增大O2的浓度
【解析】 增大O2的浓度可加速反应的进行,并使平衡向正反应方向移动。
【答案】 D
7.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) ΔH<0,673K、30MPa下,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下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大
【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化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。
【答案】 D
8.将aLNH3通过灼热的装有铁触媒的硬质玻璃管后,气体体积变为bL(气体体积均在同温同压下测定)。
该bL气体中NH3的体积分数是( )
A.
B.
C.
D.
【解析】 铁触媒既可以催化氨的合成反应,也能够催化氨的分解反应:
N2+3H2
2NH3
2NH3
N2+3H2 ΔV
2 1 3 2
可见,分解的氨的体积:
(b-a)L,则剩余氨的体积:
aL-(b-a)L=(2a-b)L,该bL气体中NH3的体积分数是
。
【答案】 C
9.在密闭容器内,使1molN23molH2混合发生下列反应:
3H2+N2
2NH3 ΔH<0。
【导学号:
05310093】
(1)合成氨时选择500℃高温的目的是___________________________________________________________________________________________。
(2)当反应达到平衡时,N2和H2的浓度比是______。
(3)当达到平衡时,充入氩气,并保持体积不变,平衡将________移动。
(4)当达到平衡时,充入氩气,并保持压强不变,平衡将________移动,反应速率将________。
(5)当达到平衡时,充入N2并保持压强不变,平衡将________移动。
(6)当达到平衡时,保持体积不变,升高温度时,混合气体的平均相对分子质量________(选填“增大”“减小”或“不变”,后同),密度________。
【解析】 合成氨时选择500℃高温可以加快反应速率,而且工业上用的催化剂在该温度时活性最大;因为初始和转化的N2和H2的浓度比都是1∶3,所以当反应达到平衡时,N2和H2的浓度比是1∶3;平衡时保持体积不变,充入氩气平衡不移动;保持压强不变充入氩气,容器体积变大,反应速率将变小,平衡逆向移动;充入N2并保持压强不变,平衡将正向移动;保持体积不变,升高温度时,平衡逆向移动,混合气体的质量不变,总物质的量变大,平均相对分子质量变小,密度不变。
【答案】
(1)加快反应速率,工业上用的催化剂在该温度时活性最大
(2)1∶3 (3)不 (4)逆向 变小
(5)正向 (6)减小 不变
10.工业合成氨N2(g)+3H2(g)2NH3(g)反应过程中的能量变化如图所示,据图回答下列问题:
(1)该反应通常用活性铁作催化剂,加活性铁会使图中B点________(填“升高”或“降低”),理由是_______________________________________________________________________________________________________________。
(2)该反应平衡常数表达式为:
K=________,当浓度商Q________K(填“<”、“>”或“=”)时,反应向右进行。
(3)450℃时该反应的平衡常数________500℃时的平衡常数(填“<”、“>”或“=”)。
(4)一定条件下的密闭容器中,该反应达到平衡,要提高H2的转化率,可以采取的合理措施有________(填字母代号)。
a.高温高压 b.加入催化剂 c.增加N2的浓度
d.增加H2的浓度 e.分离出NH3
【解析】
(1)催化剂能降低反应的活化能;
(2)反应向右进行,说明Q 【答案】 (1)降低 催化剂能降低反应的活化能 (2) < (3)> (4)ce 11.在2L密闭容器中,合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)达到平衡。 请回答下列问题: (1)已知: 450℃时NH3的浓度大于550℃时,则正反应是________热反应。 (2)反应进程中: 0~2s内N2的物质的量由2mol变为1mol,则v(H2)=________________。 (3)能说明该反应已经达到平衡状态的是________。 A.c(N2)=c(H2)=c(NH3) B.容器内压强保持不变 C.v(N2)=3v(H2) D.容器内的密度保持不变 (4)可使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的措施是________。 A.及时分离出NH3气体 B.适当升高温度 C.增大压强 D.选择高效的催化剂 【解析】 (1)450℃时NH3的浓度大于550℃时,说明温度升高,平衡向逆反应方向移动,则正反应是放热反应。 (2)v(H2)=3v(N2)= =0.75mol·L-1·s-1。 (3)A中浓度相等,但不一定达到平衡,只有浓度不再改变时,表示达到了平衡;该反应是反应前后气体体积不相等的反应,体积固定,故压强不变,表示该反应已达平衡;C项中未指明是正反应速率还是逆反应速率,故不能表示该反应已达平衡;体积固定,质量不变,密度不变,故不能表示该反应已达平衡。 (4)及时分离出NH3,减少生成物,反应速率将减小,A不合题意;适当升高温度,平衡向逆反应方向移动,B不合题意;增大压强,反应速率增大,平衡向正反应方向移动,C符合题意;催化剂只改变反应速率,不影响平衡移动,D不合题意。 【答案】 (1)放 (2)0.75mol·L-1·s-1 (3)B (4)C [能力提升] 12.一定温度下,在2L的密闭容器中发生如下反应: A(s)+2B(g) xC(g) ΔH<0,B、C的物质的量随时间变化的关系如甲图所示,达到平衡后在t1、t2、t3、t4时都只改变了一种条件,逆反应速率随时间变化的关系如乙图所示。 【导学号: 05310094】 甲 乙 下列有关说法正确的是( ) A.x=2,反应开始2min内,v(B)=0.1mol·L-1·min-1 B.t1时降温,平衡逆向移动 C.t2时增大c(C),平衡时B的物质的量分数增大 D.t3时可能是减小压强,平衡不移动;t4时可能是使用催化剂,c(B)不变 【解析】 本题考查化学平衡图像的分析及平衡移动原理。 从甲图分析,B、C在相同时间内浓度的变化量相等,则它们的系数是相等的,即x=2,v(B)= =0.05mol·L-1·min-1,A项错。 ΔH<0,正反应为放热反应,降温平衡正向移动,B项错。 增大c(C),可看成是在容器上方的虚拟容器中加入C,当达到平衡时,再压入容器中,平衡不移动,则B的物质的量分数不变,故C项错。 从乙图分析,其中t3和t4条件的改变,平衡不移动,则只可能是催化剂和等体积变化中的压强改变,所以D项正确。 【答案】 D 13.(2016·宁波高二质检)对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,下列研究目的和示意图相符的是( ) A B C D 研究目的 压强对反应的影响(p2>p1) 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 【解析】 A项,p1达平衡时间短,所以p1>p2,压强增大时,平衡正向移动,氨气的体积分数增大,不符合;B项,合成氨反应正向放热,温度升高平衡逆向移动,氮气的转化率变小,不符合;C项,向平衡体系中加氮气,反应速率加快,平衡正向移动,符合;D项,催化剂能缩短反应达到平衡时间,不符合。 【答案】 C 14.Ⅰ.CO可用于合成甲醇,反应方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。 CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。 该反应ΔH________(填“>”或“<”)0。 实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右,选择此压强的理由是_________________________________________________ _________________________________________________________________。 Ⅱ.在其他条件相同时,反应H3BO3+3CH3OH B(OCH3)3+3H2O中,H3BO3的转化率(α)在不同温度下随反应时间(t)的变化如图,由此图可得出: (1)温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是_________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (2)该反应ΔH________(填“<”或“>”)0。 【解析】 Ⅰ.从图像来看,随着温度的升高,CO的转化率变小,故ΔH<0,综合温度、压强对CO转化率的影响来看,在题给压强下,CO的转化率已经很大,再增大压强,CO的转化率提高不大,但对设备和材料的要求越高,需要的动力越大,会增加投资和能量消耗,不经济。 Ⅱ.由图示关系可看出,随着温度升高,曲线斜率增大,说明化学反应速率增大;同样由曲线变化可看出随着温度升高,H3BO3的平衡转化率增大,说明升温平衡正向移动,因升温平衡向吸热反应方向移动,可判断该反应的ΔH>0。 【答案】 Ⅰ.< 在250℃、1.3×104kPa下,CO的转化率已较高,再增大压强CO的转化率提高不大,而生产成本增加,得不偿失 Ⅱ. (1)a.温度越高,化学反应速率越快;b.温度升高,平衡正向移动 (2)>
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