2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨測評含解析魯科版選擇性必修1

PAGE11-第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課后篇素養(yǎng)形成必備學(xué)問基礎(chǔ)練1.德國化學(xué)家哈伯獨(dú)創(chuàng)了以低成本制造大量氨的方法,從而大大滿足了當(dāng)時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法合成氨的流程圖,其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而實(shí)行的措施是()A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④答案B解析合成氨反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,加壓、降溫、減小NH3的濃度均有利于平衡向正反應(yīng)方向移動,②④符合題意;將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉(zhuǎn)化率,⑤符合題意。2.合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g),673K,30MPa下,n(NH3)和n(H2)隨時間變更的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是()A.點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的小B.點(diǎn)c處反應(yīng)達(dá)到平衡C.點(diǎn)d(t1時刻)和點(diǎn)e(t2時刻)處n(N2)不一樣D.其他條件不變,773K條件下反應(yīng)至t1時刻,n(H2)比圖中d點(diǎn)的值大答案D解析a點(diǎn)的反應(yīng)物濃度大于b點(diǎn),所以反應(yīng)速率a更快;c點(diǎn)的時候各種物質(zhì)的濃度仍在變更,并沒有達(dá)到平衡;而d、e兩點(diǎn)時達(dá)到平衡,濃度不再變更;上升溫度,平衡逆向移動,氫氣的濃度變大。3.對于合成氨工業(yè),只從提高原料轉(zhuǎn)化率看,從下列條件中選擇最適宜的組合是()①高溫②低溫③低壓④高壓⑤催化劑⑥加氨⑦分別出氨A.②④⑤ B.②④⑦ C.①④⑤ D.②③⑥答案B解析合成氨反應(yīng)為N2+3H22NH3ΔH<0,因而可知降低溫度有利于反應(yīng)向生成氨氣的方向進(jìn)行;從氣體各物質(zhì)化學(xué)式前的系數(shù)來看,加壓有利于反應(yīng)向生成氨氣的方向進(jìn)行;加催化劑只會變更速率卻無法變更轉(zhuǎn)化率;剛好分別反應(yīng)產(chǎn)物也有利于反應(yīng)向生成氨氣的方向進(jìn)行。故綜上所述②④⑦符合題意。4.合成氨反應(yīng)通常限制在20~50MPa的壓強(qiáng)和500℃左右的溫度,且進(jìn)入合成塔的氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為1∶3,經(jīng)科學(xué)測定,在相應(yīng)條件下氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)所得氨的平衡濃度(體積分?jǐn)?shù))如下表所示:溫度壓強(qiáng)20MPa60MPa500℃19.1%42.2%而實(shí)際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約為15%,這表明()A.表中所測數(shù)據(jù)有明顯誤差B.生產(chǎn)條件限制不當(dāng)C.氨的分解速率大于預(yù)料值D.合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡答案D解析表中數(shù)據(jù)為通過科學(xué)試驗(yàn)所得,不行能有明顯誤差;合成氨連續(xù)操作,不行能對生產(chǎn)條件限制不當(dāng);平衡濃度問題與速率的大小沒有干脆關(guān)系,因此D項(xiàng)符合題意。這說明合成氨工業(yè)考慮單位時間的產(chǎn)量問題,并未讓合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡,因?yàn)樽尫磻?yīng)達(dá)到平衡須要確定的時間,時間太長得不償失。5.將氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w通入合成塔中,反應(yīng)1小時達(dá)到平衡以后,N2、H2、NH3的濃度分別為3mol·L-1、7mol·L-1、4mol·L-1,則下列結(jié)果不正確的是()A.v(H2)始=7mol·L-1·h-1B.c始(H2)=13mol·L-1C.c始(N2)=5mol·L-1D.H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%答案A解析由題知,起始NH3濃度為0,達(dá)到平衡后NH3的濃度為4mol·L-1,說明轉(zhuǎn)化了4mol·L-1,則由化學(xué)方程式中化學(xué)式前面的系數(shù)關(guān)系知N2消耗了2mol·L-1,H2消耗了6mol·L-1,所以c始(H2)=13mol·L-1,c始(N2)=5mol·L-1,H2的轉(zhuǎn)化率為6mol·6.已知合成氨反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1,在反應(yīng)過程中,正反應(yīng)速率的變更如圖:下列說法正確的是()A.t1時上升了溫度 B.t2時運(yùn)用了催化劑C.t3時增大了壓強(qiáng) D.t4時降低了溫度答案B解析若t1時上升了溫度,則隨后v(正)應(yīng)增大至平衡,A錯誤;若t3時增大了壓強(qiáng),v(正)應(yīng)增大,而不會減小,故C錯誤;若t4時降低了溫度,則v(正)應(yīng)突然減小,曲線不應(yīng)相連,D錯誤。7.在確定溫度和壓強(qiáng)下,在密閉容器中充入H2、N2、NH3,起先時其物質(zhì)的量之比為3∶1∶1,反應(yīng)達(dá)平衡后,H2、N2、NH3的物質(zhì)的量之比為9∶3∶4,則此時氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率為()A.10% B.20% C.15% D.30%答案A解析由題意設(shè)起先時H2、N2、NH3的物質(zhì)的量分別為3mol、1mol、1mol。平衡時N2轉(zhuǎn)化了amol,則依據(jù)“三段式”分析:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)初始物質(zhì)的量/mol 1 3 1轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量/mol a 3a 2a平衡物質(zhì)的量/mol 1-a 3-3a 1+2a則1-a1+2N2的轉(zhuǎn)化率為0.8.在確定溫度下,在恒壓容器a和恒容容器b中,分別充入體積比1∶3的N2和H2。起先時體積相同,達(dá)到平衡時兩容器中N2的轉(zhuǎn)化率比較()A.a大 B.b大C.a、b一樣大 D.無法推斷答案A解析先假設(shè)a容器起先時也保持容積不變,則達(dá)到平衡時容器a中N2的轉(zhuǎn)化率與容器b中N2的轉(zhuǎn)化率相等,但達(dá)到平衡時,a容器的壓強(qiáng)比起先變小了。由于容器a恒壓,若要保持起先時的壓強(qiáng),必定要縮小容器a的容積,則平衡會正向移動。因此再次達(dá)平衡時,N2的轉(zhuǎn)化率會增大。9.在450℃時發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。若體系中只變更下列條件,請把影響結(jié)果填入表中。變更條件正反應(yīng)速率逆反應(yīng)速率平衡移動N2的轉(zhuǎn)化率(1)增大N2的濃度(2)增大NH3的濃度(3)減小NH3的濃度(4)壓縮體積增大壓強(qiáng)(5)上升溫度(6)加入催化劑(7)體積不變充入氖氣答案(1)增大增大正向移動減小(2)增大增大逆向移動減小(3)減小減小正向移動增大(4)增大增大正向移動增大(5)增大增大逆向移動減小(6)增大增大不移動不變(7)不變不變不移動不變關(guān)鍵實(shí)力提升練10.在密閉容器中進(jìn)行如下反應(yīng):N2+3H22NH3ΔH<0,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時,其他條件不變,若壓縮容器容積使平衡混合物中各物質(zhì)的濃度都增大到原來的2倍,則下列說法中正確的是()A.平衡不移動B.平衡向正反應(yīng)方向移動C.平衡向逆反應(yīng)方向移動D.NH3的百分含量減小答案B解析壓縮容器容積使平衡混合物中各物質(zhì)的濃度都增大到原來的2倍,則平衡向氣體體積減小的方向移動,故平衡向正反應(yīng)方向移動,使NH3的百分含量增加。11.合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時,NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。依據(jù)此圖分析合成氨工業(yè)最有前途的探討方向是()A.提高分別技術(shù)B.研制耐高壓的合成塔C.研制低溫催化劑D.探究不用N2和H2合成氨的新途徑答案C解析由題圖可知,NH3的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的上升而顯著下降,故要提高NH3的體積分?jǐn)?shù),必需降低溫度,但目前所用催化劑鐵觸媒的活性最高時的溫度為700K,故最有前途的探討方向?yàn)檠兄频蜏卮呋瘎?2.合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。合成氨工業(yè)的生產(chǎn)流程如下:關(guān)于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是()A.混合氣體進(jìn)行循環(huán)利用遵循綠色化學(xué)思想B.合成氨反應(yīng)須在低溫下進(jìn)行C.對原料氣進(jìn)行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率D.運(yùn)用催化劑可以提高反應(yīng)的速率,但是不能使平衡向正反應(yīng)方向移動答案B解析低溫雖然有利于平衡正向移動,但低溫會導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,不利于提高生產(chǎn)效率,B項(xiàng)錯誤。13.對于可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng)),下列說法中正確的是()A.達(dá)到平衡后,加入N2,當(dāng)重新達(dá)到平衡時,NH3的濃度比原平衡的大,N2的濃度比原平衡的小B.達(dá)到平衡后,上升溫度,既加快了正、逆反應(yīng)速率,又提高了NH3的產(chǎn)率C.達(dá)到平衡后,縮小容器容積,既有利于加快正、逆反應(yīng)速率,但不利于提高氫氣的轉(zhuǎn)化率D.加入催化劑可以縮短達(dá)到平衡的時間,是因?yàn)榇呋瘎┳兏磻?yīng)途徑,降低反應(yīng)的活化能答案D解析達(dá)到平衡后,加入N2,平衡向正反應(yīng)方向移動,達(dá)到新平衡后,NH3的濃度會增大,而N2的濃度比原平衡的大,A項(xiàng)錯誤;達(dá)到平衡后,上升溫度,正、逆反應(yīng)速率都增大,但平衡向逆反應(yīng)方向移動,不利于NH3的生成,B項(xiàng)錯誤;達(dá)到平衡后,縮小容器容積即增大壓強(qiáng),正、逆反應(yīng)速率都增大,平衡向正反應(yīng)方向移動,又有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率,C項(xiàng)錯誤;加入催化劑,變更了反應(yīng)途徑,降低了反應(yīng)的活化能,從而縮短反應(yīng)達(dá)到平衡的時間,D項(xiàng)正確。14.下列是關(guān)于N2+3H22NH3的反應(yīng)速率與時間的關(guān)系圖像,縱坐標(biāo)為反應(yīng)速率v,橫坐標(biāo)為時間t。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后,條件發(fā)生變更與速率變更的關(guān)系不符合實(shí)際的是()答案A解析合成氨反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng),所以加壓和降溫有利于化學(xué)平衡向著生成氨氣的方向移動。達(dá)到化學(xué)平衡后,若上升溫度,化學(xué)平衡左移,事實(shí)上此時是逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率,所以A項(xiàng)錯誤;假如給體系加壓,體系中全部物質(zhì)的濃度都增大,所以正、逆反應(yīng)速率都增大,但正反應(yīng)速率增大的幅度大于逆反應(yīng)速率增大的幅度,所以B項(xiàng)正確;運(yùn)用催化劑不會使化學(xué)平衡發(fā)生移動,只能變更更學(xué)反應(yīng)速率,所以C項(xiàng)正確;補(bǔ)充N2和H2,則平衡體系中反應(yīng)物的濃度增大,所以正反應(yīng)速率增大,分別出NH3,反應(yīng)產(chǎn)物的濃度減小,所以逆反應(yīng)速率減小,所以D項(xiàng)正確。15.將等物質(zhì)的量的N2、H2充入某密閉容器中,在確定條件下,發(fā)生如下反應(yīng)并達(dá)到平衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。當(dāng)變更某個條件并維持新條件直至新的平衡時,下表中關(guān)于新平衡與原平衡的比較正確的是()選項(xiàng)變更條件新平衡與原平衡比較A上升溫度N2的轉(zhuǎn)化率變小B壓縮容積使壓強(qiáng)增大N2的濃度變小C充入確定量H2H2的轉(zhuǎn)化率增大D運(yùn)用適當(dāng)催化劑N2的體積分?jǐn)?shù)變小答案A解析上升溫度,平衡逆向移動,則N2的轉(zhuǎn)化率變小,A正確;壓縮容積使壓強(qiáng)增大,平衡正向移動,由于容器的容積減小,則達(dá)到新平衡后N2的濃度仍變大,B錯誤;充入確定量的H2,平衡正向移動,N2的轉(zhuǎn)化率增大,但H2的轉(zhuǎn)化率減小,C錯誤;運(yùn)用適當(dāng)催化劑,可變更更學(xué)反應(yīng)速率,但平衡不移動,則N2的體積分?jǐn)?shù)不變,D錯誤。16.合成氨工業(yè)對化學(xué)工業(yè)和國防工業(yè)具有重要意義,對我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化也起著重要作用。依據(jù)已學(xué)學(xué)問回答下列問題[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1]:(1)合成氨工業(yè)實(shí)行的下列措施不行用平衡移動原理說明的是(填序號)。

A.接受較高壓強(qiáng)(20~50MPa)B.接受500℃的高溫C.用鐵觸媒作催化劑D.將生成的氨液化并剛好從體系中分別出來(2)合成氨工業(yè)中接受了較高壓強(qiáng)(20~50MPa),而沒有接受100MPa或者更大壓強(qiáng),試說明沒有這么做的理由。

(3)在容積均為2L(容器體積不行變)的甲、乙兩個容器中,分別加入2molN2、6molH2和1molN2、3molH2,在相同溫度、催化劑下使其反應(yīng)。最終達(dá)到平衡后,兩容器N2轉(zhuǎn)化率分別為α甲、α乙,則甲容器中平衡常數(shù)為(用含α甲的代數(shù)式表示),此時α甲α乙(填“>”“<”或“=”)。

答案(1)BC(2)接受更大壓強(qiáng)會要求運(yùn)用能耐更大壓強(qiáng)的設(shè)備,從而增加生產(chǎn)成本(其他合理答案也可)(3)4α解析(1)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是氣體體積減小的反應(yīng),增大壓強(qiáng),平衡正向移動;500℃高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動;接受500℃不僅考慮到溫度對反應(yīng)速率的影響,更主要的是500℃左右催化劑活性最大。催化劑只變更反應(yīng)速率,不變更平衡移動;生成氨液化并分別出來,削減體系中氨的濃度,平衡正向移動。(2)接受更大壓強(qiáng),須要運(yùn)用承受更大壓強(qiáng)的設(shè)備,會增加生產(chǎn)成本,不經(jīng)濟(jì)。(3)在甲容器中,反應(yīng)的N2為2mol×α甲,則有N2(g)+3H2(g)2NH3(g)初始物質(zhì)的量/mol 1 3 0轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量/mol α甲 3α甲 2α甲平衡物質(zhì)的量/mol 1-α甲 3-3α甲 2α甲則K=(2甲與乙相比,相當(dāng)于在乙平衡的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng),平衡正向移動,即甲容器中的平衡正向移動的程度更大,所以α甲>α乙。學(xué)科素養(yǎng)拔高練17.電催化N2還原制NH3的一種反應(yīng)機(jī)理如圖所示,其中吸附在催化劑表面的物種用*表示,下列說法不正確的是()A.N2生成NH3是通過多步還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的B.兩個氮原子上的加氫過程同時進(jìn)行C.析氫反應(yīng)(H*+H*H2)會影響NH3的生成D.NH3的剛好脫附有利于提高催化劑活性答案B解析由圖可知,N2生成NH3是通過N2→*N2→*NNH……NH3多步還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,故A不符合題意;由圖可知,加氫過程是分步進(jìn)行的(*N2→*NNH→*NHNH),故B符合題意;析氫反應(yīng)(H*+H*H2)會導(dǎo)致NH3中H不足,從而影響NH3的生成,故C不符合題意;NH3的剛好脫附,能夠增加催化劑與反應(yīng)物的接觸面積,即有利于增加催化劑活性,故D不符合題意。18.合成氨工藝是人工固氮最重要的途徑。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為:12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1化學(xué)吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*表面反應(yīng):N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;NH2*+H*N脫附:NH3*NH3其中,N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢,確定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請回答:(1)利于提高合成氨平衡產(chǎn)率的條件有(填字母)。

A.低溫B.高溫C.低壓D.高壓E.催化劑(2)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ=p(NH3)pθ[p(N2)pθ]0.5[p(H2)pθ]1.5,其中pθ為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)(1×105①N2和H2起始物質(zhì)的量之比為1∶3,反應(yīng)在恒定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下進(jìn)行,NH3的平衡產(chǎn)率為w,則標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ=(用含w的最簡式表示)。

②下圖中可以示意標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ隨溫度T變更趨勢的是。

(3)實(shí)際生產(chǎn)中,常用工藝條件:Fe做