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)合成氨練習(xí)含解析魯科版選擇性必修1

PAGE9-化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨(40分鐘70分)一、選擇題(本題包括8小題,每小題5分,共40分)1.(2024·順義區(qū)高二檢測)1913年德國化學(xué)家哈伯獨(dú)創(chuàng)了以低成本制造大量氨的方法,從而大大滿意了當(dāng)時(shí)日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖,其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而實(shí)行的措施是 ()A.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.②③④【解析】選B。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正確;將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉(zhuǎn)化率,⑤正確。2.(2024·黃山高二檢測)將N2和H2的混合氣體通入合成塔中,反應(yīng)1小時(shí)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.c0(H2)=13mol·L-1C.c0(N2)=5mol·L-1D.H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%【解析】選A。由題知,起始NH3濃度為0,達(dá)到平衡后為4mol·L-1,說明轉(zhuǎn)化了4mol·L-1,則由化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系知N2消耗了2mol·L-1,H2消耗了6mol·L-1,所以c0(H2)=13mol·L-1,c0(N2)=5mol·L-1,H2的轉(zhuǎn)化率為×100%≈46.2%。3.(2024·泰安高二檢測)在合成氨工業(yè)中,為增加NH3的日產(chǎn)量,實(shí)施下列目的的變更過程中與平衡移動無關(guān)的是 ()A.不斷將氨分別出來B.運(yùn)用催化劑C.采納700K左右的高溫而不是900K的高溫D.采納2×107～5×107Pa的壓強(qiáng)【解析】選B。把氨分別出來是減小生成物濃度,有利于平衡右移;合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng),相對較低溫度(700K)利于反應(yīng)向右進(jìn)行,同時(shí)該反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng),盡可能實(shí)行高壓利于正反應(yīng)的進(jìn)行,A、C、D都符合平衡移動原理,而運(yùn)用催化劑僅是為增大反應(yīng)速率,與平衡無關(guān)。4.對于合成氨的反應(yīng)來說,運(yùn)用催化劑或施加高壓,下列敘述中正確的是()A.都能提高反應(yīng)速率,都對化學(xué)平衡狀態(tài)無影響B(tài).都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響,都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間,只有壓強(qiáng)對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D.催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間,而壓強(qiáng)無此作用【解析】選C。對于化學(xué)反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化劑只能降低反應(yīng)所需活化能,增大反應(yīng)速率,縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間,不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應(yīng)速率,使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間縮短,也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動。5.(2024·哈爾濱高二檢測)合成氨廠所需H2可由焦炭與水反應(yīng)制得,其中有一步反應(yīng)為CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH<0。欲提高CO的利用率,可采納的方法是 ()①降低溫度②增大壓強(qiáng)③運(yùn)用催化劑④增大CO的濃度⑤增大水蒸氣的濃度A.①②③ B.④⑤ C.①⑤ D.⑤【解析】選C。增大壓強(qiáng),平衡不移動;增大CO濃度,平衡向右移動,但CO轉(zhuǎn)化率降低;運(yùn)用催化劑,平衡不移動,CO轉(zhuǎn)化率不變;降低溫度或增大水蒸氣濃度,平衡均向右移動,CO轉(zhuǎn)化率增大。【補(bǔ)償訓(xùn)練】(2024·蘇州高二檢測)對于合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,下列探討結(jié)果和示意圖相符的是 ()選項(xiàng)ABCD探討結(jié)果壓強(qiáng)對反應(yīng)的影響溫度對反應(yīng)的影響平衡體系增加N2對反應(yīng)的影響催化劑對反應(yīng)的影響圖示【解析】選C。A項(xiàng),由于p1條件先達(dá)到平衡,故p1>p2,由p1→p2,減小壓強(qiáng),化學(xué)平衡左移,NH3的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)降低,錯(cuò)誤;B項(xiàng),由于此反應(yīng)ΔH<0,故升溫平衡左移,N2的轉(zhuǎn)化率降低,錯(cuò)誤;C項(xiàng),增大N2的量,會使正反應(yīng)速率增大,使化學(xué)平衡右移,正確;D項(xiàng),運(yùn)用催化劑,能加快反應(yīng)速率,縮短到達(dá)平衡的時(shí)間,錯(cuò)誤。6.(2024·青島高二檢測)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)ΔH<0,673K、30MPa下,n(NH3)和n(H2)隨時(shí)間的變更關(guān)系如圖所示。下列說法正確的是 世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號()A.c點(diǎn)處反應(yīng)達(dá)到平衡B.d點(diǎn)(t1時(shí)刻)和e點(diǎn)(t2時(shí)刻)處n(N2)不同C.其他條件不變,773K下反應(yīng)至t1時(shí)刻,n(H2)比圖中的d點(diǎn)的值要大D.a點(diǎn)的正反應(yīng)速率比b點(diǎn)的小【解析】選C。A項(xiàng),c點(diǎn)是氫氣和氨氣物質(zhì)的量相等的點(diǎn),該點(diǎn)以后,氫氣的量還在削減,氨氣的量還在增加,故c點(diǎn)沒有達(dá)到平衡,錯(cuò)誤;B項(xiàng),t1和t2兩個(gè)時(shí)刻反應(yīng)均處于平衡狀態(tài),體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量不再變更,故d、e兩點(diǎn)氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量相等,錯(cuò)誤;C項(xiàng),773K>673K,工業(yè)合成氨為放熱反應(yīng),上升溫度,平衡逆向移動,氫氣的物質(zhì)的量增大,正確;D項(xiàng),反應(yīng)達(dá)到平衡前,a點(diǎn)反應(yīng)物濃度大于b點(diǎn),因此a點(diǎn)的正反應(yīng)速率比b點(diǎn)的大,錯(cuò)誤。7.某溫度下,對于反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1。N2的平衡轉(zhuǎn)化率(α)與體系總壓強(qiáng)(p)的關(guān)系如圖所示。下列說法正確的是 ()A.將1mol氮?dú)狻?mol氫氣,置于1L密閉容器中發(fā)生反應(yīng),放出的熱量為92.2kJB.平衡狀態(tài)由A變?yōu)锽時(shí),平衡常數(shù)K(A)<K(B)C.上述反應(yīng)在達(dá)到平衡后,增大壓強(qiáng),H2的轉(zhuǎn)化率增大D.上升溫度,平衡常數(shù)K增大【解析】選C。該反應(yīng)為可逆反應(yīng),加入的1molN2和3molH2不行能完全反應(yīng)生成NH3,所以反應(yīng)放出的熱量小于92.2kJ,A項(xiàng)錯(cuò)誤;從狀態(tài)A到狀態(tài)B,變更的是壓強(qiáng),溫度未發(fā)生變更,所以平衡常數(shù)不變,B項(xiàng)錯(cuò)誤;該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體分子數(shù)減小的反應(yīng),增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動,H2的轉(zhuǎn)化率增大,C項(xiàng)正確;上升溫度,平衡逆向移動,K減小,D項(xiàng)錯(cuò)誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】(2024·宜昌高二檢測)合成氨反應(yīng)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))在不同溫度或不同壓強(qiáng)(p1>p2)下達(dá)到平衡時(shí),混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)a%隨溫度和壓強(qiáng)的變更曲線正確的是 ()【解析】選A。合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng),且是氣體體積減小的反應(yīng)。隨溫度上升,a%減小;隨壓強(qiáng)增大,a%增大,A選項(xiàng)圖象符合。8.(2024·鄭州高二檢測)在密閉容器內(nèi),N2、H2起始的物質(zhì)的量分別為10mol、30mol,達(dá)到平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率為25%。若從NH3起先,在相同條件下欲使平衡時(shí)各成分的百分含量與前者相同,則應(yīng)加入NH3的物質(zhì)的量及NH3的轉(zhuǎn)化率為()A.15mol和25% B.20mol和50%C.20mol和75% D.40mol和50%【解析】選C。以N2、H2為起始時(shí),N2為10mol,H2為30mol,要以NH3起先反應(yīng),并且平衡時(shí)百分含量與前者相同,取NH3的量必需是20mol。設(shè)以NH3起先反應(yīng)時(shí),氨轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x,那么有20mol-x=2×10mol×25%,x=15mol,氨的轉(zhuǎn)化率:×100%=75%?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.(2024·濟(jì)南高二檢測)在肯定條件下,合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后,混合氣體中NH3的體積占25%,若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體的體積與原反應(yīng)物體積的比值是 ()A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2【解析】選A。設(shè)平衡后混合氣體的體積為100L,則NH3的體積為25L,由N2+3H22NH3知,反應(yīng)前后氣體體積差為2,則縮小的氣體體積為25L,反應(yīng)前的氣體體積為100L+25L=125L,則縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是=。2.(2024·肇慶高二檢測)肯定條件下,通過下列反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣中的硫的回收:SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l)ΔH<0?？隙囟认?在容積為2L的恒容密閉容器中1molSO2和nmolCO發(fā)生反應(yīng),5min后達(dá)到平衡,生成2amolCO2。下列說法正確的是 ()A.反應(yīng)前2min的平均速率v(SO2)=0.1amol·L-1·min-1B.當(dāng)混合氣體的物質(zhì)的量不再變更時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)C.平衡后保持其他條件不變,從容器中分別出部分硫,平衡向正反應(yīng)方向移動D.平衡后保持其他條件不變,上升溫度或加入催化劑,SO2的轉(zhuǎn)化率均增大【解析】選B。依據(jù)方程式可知,生成2amolCO2的同時(shí),消耗amolSO2,其濃度是0.5amol·L-1,所以反應(yīng)前5min的平均速率v(SO2)=0.5amol·L-1÷5min=0.1amol·L-1·min-1,故前2min的平均速率大于0.1amol·L-1·min-1,A不正確;依據(jù)方程式可知,該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量減小的可逆反應(yīng),因此當(dāng)混合氣體的物質(zhì)的量不再變更時(shí),可以說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),B正確;S是液體,變更液體的質(zhì)量,平衡不移動,C不正確;該反應(yīng)是放熱反應(yīng),上升溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動,SO2的轉(zhuǎn)化率降低,催化劑不能變更平衡狀態(tài),轉(zhuǎn)化率不變,D不正確。二、非選擇題(本題包括2小題,共30分)9.(15分)工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1。(1)在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g),下列說法能說明上述反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的是____________(填序號)。 世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號

①單位時(shí)間內(nèi)生成2nmolNH3的同時(shí)生成3nmolH2②單位時(shí)間內(nèi)生成6nmolN—H鍵的同時(shí)生成2nmolH—H鍵③用N2、H2、NH3的物質(zhì)的量濃度變更表示的反應(yīng)速率之比為1∶3∶2④混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大⑤容器內(nèi)的氣體密度不變(2)某溫度下,合成氨反應(yīng)在容積為2L的密閉容器中進(jìn)行,測得如下數(shù)據(jù):時(shí)間/h物質(zhì)的量/mol01234N21.50n11.20n31.00H24.504.203.60n43.00NH300.20n21.001.00依據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算:①反應(yīng)進(jìn)行到2h時(shí)放出的熱量為____________kJ。

②0～1h內(nèi)N2的平均反應(yīng)速率為_________mol·L-1·h-1。

③此溫度下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=____________(保留兩位小數(shù))。

④反應(yīng)達(dá)到平衡后,若往平衡體系中再加入N2、H2和NH3各1.00mol,化學(xué)平衡將____________(填“正”或“逆”)向移動。

【解析】(1)①所述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);②生成2molNH3的同時(shí)生成2molH2,正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率,反應(yīng)正向進(jìn)行;③無論是正向進(jìn)行還是逆向進(jìn)行,N2、H2、NH3的速率之比總是1∶3∶2,無法推斷;④混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大,說明氣體的物質(zhì)的量減小,反應(yīng)正向進(jìn)行;⑤因?yàn)槿莘e固定,所以密度始終保持不變。(2)①2h時(shí)消耗N2的物質(zhì)的量為1.50mol-1.20mol=0.30mol,由熱化學(xué)方程式可知,該反應(yīng)放出的熱量為92.2kJ·mol-1×0.30mol=27.66kJ。②v(N2)=v(NH3)=×=0.05mol·L-1·h-1。③由表中數(shù)據(jù)可知,第3、4h時(shí)反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài),故N2、H2、NH3的平衡濃度分別為0.50mol·L-1、1.50mol·L-1、0.50mol·L-1,故平衡常數(shù)K=≈0.15(mol·L-1)-2。④向平衡體系中再加入N2、H2、NH3各1.00mol后,平衡發(fā)生移動前,N2、H2、NH3的濃度分別為1.00mol·L-1、2.00mol·L-1、1.00mol·L-1,此時(shí)Q=<K,故平衡正向移動。答案:(1)②④(2)①27.66②0.05③0.15(mol·L-1)-2④正10.(15分)(2024·衡水高二檢測)在一容積為2L的密閉容器中,加入0.2molN2和0.6molH2,在肯定條件下發(fā)生反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。反應(yīng)中NH3的物質(zhì)的量濃度的變更狀況如圖所示,請回答下列問題:(1)依據(jù)上圖,計(jì)算從反應(yīng)起先到平衡時(shí),平均反應(yīng)速率v(NH3)為____________。

(2)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率____________。

(3)反應(yīng)達(dá)到平衡后,第5分鐘末,保持其他條件不變,若變更反應(yīng)溫度,達(dá)到新平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量濃度不行能為____________。(填序號)

A.0.20mol·L-1 B.0.12mol·L-1C.0.10mol·L-1 D.0.08mol·L-1(4)在第5分鐘末將容器的體積縮小一半后,若在第8分鐘末達(dá)到新的平衡(此時(shí)NH3的濃度約為0.25mol·L-1),請?jiān)谏蠄D中畫出第5分鐘末到此平衡時(shí)NH3濃度的變更曲線。(5)若該反應(yīng)在298K、398K時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)分別為K1、K2,則K1____________K2(填“>”“=”或“<”)。

【解析】(1)從反應(yīng)起先到平衡用時(shí)4分鐘,NH3的物質(zhì)的量濃度變更了0.1mol·L-1,v(NH3)為0.025mol·L-1·min-1;(2)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氫氣反應(yīng)了0.3mol,轉(zhuǎn)化率為50%;(3)初始N2和H2的物質(zhì)的量分別是0.2mol、0.6mol,平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量介于0～0.4mol之間,濃度介于0～0.2mol·L-1之間;而且溫度與圖中平衡溫度不同,所以NH3的物質(zhì)的量濃度也不行能是0.10mol·L-1;(4)將容器的體積縮小一半的瞬間NH3的濃度變?yōu)?.2mol·L-1,因?yàn)閴簭?qiáng)增大,平衡右移,NH3的濃度漸漸增大至0.25mol·L-1達(dá)到新的平衡;(5)溫度上升平衡常數(shù)減小。答案:(1)0.025mol·L-1·min-1(2)50%(3)AC(4)(5)>(20分鐘30分)一、選擇題(本題包括1小題,共10分)11.(2024·啟東高二檢測)已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1。在相同溫度下,相同容積的恒容容器中,試驗(yàn)測得起始、平衡時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表:容器編號起始時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量/mol達(dá)到平衡時(shí)體系能量的變更平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)N2H2NH3①130放出熱量23.15kJW1②0.92.70.2放出熱量QW2下列推斷正確的是 ()A.W1>W2,Q<23.15kJ B.W1=W2,Q=23.15kJC.W1<W2,Q>23.15kJ D.W1=W2,Q<23.15kJ【解析】選D。1、3、0的配比與0.9、2.7、0.2的配比的平衡狀態(tài)為等效平衡,則W1=W2,但放出的熱量確定于N2和H2實(shí)際消耗量,則23.15kJ>Q?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】(2024·濟(jì)南高二檢測)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。哈伯法合成氨須要在20～50MPa的高壓和500℃左右的高溫下,并用鐵觸媒作為催化劑,氨在平衡混合物中的含量仍較少。最近英國俄勒岡高校的化學(xué)家運(yùn)用了一種名為trans-Fe(DMeOPrPE)2的新催化劑,在常溫下合成氨,反應(yīng)方程式可表示為N2+3H22NH3。有關(guān)說法正確的是 ()A.哈伯法合成氨是吸熱反應(yīng),新法合成氨是放熱反應(yīng)B.新法合成氨不須要在高溫條件下,可節(jié)約大量能源,具有發(fā)展前景C.新法合成氨能在常溫下進(jìn)行是因?yàn)椴豁氁獢嗔鸦瘜W(xué)鍵D.新催化劑降低了反應(yīng)所須要的能量,使平衡正向移動【解析】選B。哈伯法合成氨和新法合成氨都是放熱反應(yīng)