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)合成氨課時(shí)分層作業(yè)含解析魯科版選擇性必修1

PAGEPAGE8化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨(建議用時(shí)：40分鐘)[合格過關(guān)練]1．硫酸是一種重要的化工產(chǎn)品，目前主要采納“接觸法”進(jìn)行生產(chǎn)。有關(guān)接觸氧化反應(yīng)2SO2＋O2eq\o(,\s\up8(催化劑),\s\do9(△))2SO3的說法中正確的是()A．只要選擇相宜的條件，SO2和O2就能全部轉(zhuǎn)化為SO3B．該反應(yīng)達(dá)到平衡后，反應(yīng)就完全停止了，即正、逆反應(yīng)速率均為零C．在達(dá)到平衡的體系中，充入由18O組成的O2后，SO2中18O含量削減，SO3中18O含量增多D．在工業(yè)合成SO3時(shí)，要同時(shí)考慮反應(yīng)速率和反應(yīng)能達(dá)到的限度兩方面的問題D[反應(yīng)為可逆反應(yīng)，SO2和O2不能全部轉(zhuǎn)化為SO3，A錯(cuò)；達(dá)到平衡后反應(yīng)不停止，正、逆反應(yīng)速率相等，B錯(cuò)；達(dá)到平衡后充入由18O組成的O2，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，SO3中18O含量增多，因?yàn)榉磻?yīng)可逆，SO2中18O含量也增多，C錯(cuò)；D正確。]2．德國哈伯獨(dú)創(chuàng)以低成本制造大量氨的方法，流程圖中為提高原料轉(zhuǎn)化率而實(shí)行的措施是()A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④B[氮?dú)夂蜌錃庠诟邷?、高壓和催化劑條件下反應(yīng)生成氨氣，正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。凈化氣體是防止雜質(zhì)氣體對(duì)催化劑的影響，不能提高原料的轉(zhuǎn)化率，①不符合；加壓，平衡正向移動(dòng)，可以提高原料的利用率，②符合；運(yùn)用催化劑，可以加快反應(yīng)速率，但平衡不移動(dòng)，不能提高原料轉(zhuǎn)化率，③不符合；分別出氨氣，平衡正向移動(dòng)，提高了原料的轉(zhuǎn)化率，④符合；氮?dú)夂蜌錃獾脑傺h(huán)，可提高原料的轉(zhuǎn)化率，⑤符合。]3．合成氨反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，在反應(yīng)過程中，正反應(yīng)速率的變更如圖所示。下列說法正確的是()A．t1時(shí)上升了溫度 B．t2時(shí)運(yùn)用了催化劑C．t3時(shí)增大了壓強(qiáng) D．t4時(shí)降低了溫度B[t1時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，t1～t2，v正先增大后漸漸減小，說明平衡正向移動(dòng)，依據(jù)ΔH＜0可知，該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，上升溫度，平衡逆向移動(dòng)，故t1時(shí)不是上升溫度，可能是增大壓強(qiáng)或者增大反應(yīng)物的濃度，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；t2～t3，正、逆反應(yīng)速率同等程度增大，可能是運(yùn)用了催化劑，故B項(xiàng)正確；t3～t4，v(正)先減小后漸漸增大，而增大壓強(qiáng)，正、逆反應(yīng)速率都會(huì)增大，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；t4時(shí)正反應(yīng)速率漸漸減小，應(yīng)是減小反應(yīng)產(chǎn)物(NH3)的濃度，若是降低溫度，則在t4時(shí)v(正)應(yīng)陡降，曲線不連接，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。]4．在某恒容密閉容器內(nèi)，N2、H2的起始物質(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起先反應(yīng)，在相同條件下欲使平衡時(shí)各組分的百分含量相同，則應(yīng)加入的NH3的物質(zhì)的量及NH3的轉(zhuǎn)化率為()A．15mol,25% B．20mol,50%C．20mol,75% D．40mol,80%C[從N2、H2起先反應(yīng)時(shí)，N2為10mol，H2為30mol，若從NH3起先反應(yīng)，并且平衡時(shí)各組分的百分含量與前者相同，則NH3的物質(zhì)的量必需是20mol，故A、D項(xiàng)錯(cuò)誤。設(shè)從NH3起先反應(yīng)時(shí)，NH3轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x，則有20mol－x＝2×10mol×25%，解得x＝15mol，故NH3的轉(zhuǎn)化率為eq\f(15mol,20mol)×100%＝75%。]5．(素養(yǎng)題)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∶壓強(qiáng)20MPa60MPa50019.142.2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(cè)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D[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(duì)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，因此答案選D。這說明合成氨工業(yè)考慮單位時(shí)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)到平衡須要肯定的時(shí)間，時(shí)間太長得不償失。]6．在合成氨反應(yīng)中運(yùn)用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是()A．都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡無影響B(tài)．都對(duì)化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(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，只有施加高壓對(duì)化學(xué)平衡有影響D．運(yùn)用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而施加高壓無此效果C[對(duì)于反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，運(yùn)用催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。施加高壓既能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。故答案為C。]7．(雙選)肯定條件下，將10.0molH2和1.0molN2充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并達(dá)到平衡狀態(tài)，則H2的轉(zhuǎn)化率可能是()A．15% B．18%C．30% D．75%AB[對(duì)可逆反應(yīng)而言，任何一種物質(zhì)都不能完全轉(zhuǎn)化。利用“極值法”，假設(shè)N2完全轉(zhuǎn)化，則消耗的H2的物質(zhì)的量為n(H2)＝3n(N2)＝3.0mol，但事實(shí)上，N2是不行能完全轉(zhuǎn)化的，因而消耗的H2的物質(zhì)的量肯定小于3.0mol，故H2的轉(zhuǎn)化率α(H2)＜eq\f(3.0mol,10.0mol)×100%＝30%。綜上所述，本題選AB。]8．某溫度下，發(fā)生反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·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1molN2和3molH2置于1L密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，放出的熱量為92.4kJB．平衡狀態(tài)由A到B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92.4kJ，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(dòng)，H2的轉(zhuǎn)化率增大，C項(xiàng)正確；上升溫度，平衡逆向移動(dòng)，K減小，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]9．在反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0的平衡體系中，當(dāng)恒溫恒壓條件下t1時(shí)刻分別出NH3時(shí)，下列說法正確的是()A．t1時(shí)刻后的速率變更如圖所示B．t1時(shí)刻后達(dá)到新平衡前Q＞KC．新平衡體系中NH3的含量增大D．N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大D[分別出NH3，使體系中NH3的含量減小，則達(dá)到新平衡前Q＜K，v(正)＞v(逆)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大。]10．對(duì)于合成氨反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，下列探討結(jié)果和圖示相符的是()選項(xiàng)ABCD探討結(jié)果壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響溫度對(duì)反應(yīng)的影響平衡體系增加N2對(duì)反應(yīng)的影響催化劑對(duì)反應(yīng)的影響圖示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，故錯(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，故錯(cuò)誤；C項(xiàng)增大N2的量，會(huì)使正反應(yīng)速率增大，使化學(xué)平衡右移，故正確；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，故錯(cuò)誤。]11．合成氨工業(yè)中，原料氣(N2、H2及少量CO、NH3的混合氣)在進(jìn)入合成塔前常用醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來汲取原料氣中的CO，其反應(yīng)是[Cu(NH3)2]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·COΔH＜0。(1)必需除去原料氣中CO的緣由是___________________________________________________________________________________________________。(2)醋酸二氨合銅(Ⅰ)汲取CO的生產(chǎn)相宜條件應(yīng)是________________。(3)汲取CO后的醋酸銅氨溶液經(jīng)過適當(dāng)處理又可再生，復(fù)原其汲取CO的實(shí)力以供循環(huán)運(yùn)用。醋酸銅氨溶液再生的生產(chǎn)相宜條件應(yīng)是________。[解析]分析汲取CO反應(yīng)的特點(diǎn)：正反應(yīng)是氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，對(duì)于這樣一個(gè)可逆反應(yīng)，用化學(xué)平衡原理及有關(guān)合成氨相宜條件的選擇學(xué)問即可作答。[答案](1)防止合成塔中的催化劑中毒(2)低溫、高壓(3)高溫、低壓12．一密封體系中發(fā)生反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。如圖為某一時(shí)間段反應(yīng)速率與反應(yīng)進(jìn)程的曲線關(guān)系圖：回答下列問題：(1)處于平衡狀態(tài)的時(shí)間段是__________________。(2)t1、t3、t4時(shí)刻，體系中分別是什么條件發(fā)生了變更？______________、______________、______________。[解析]本題主要是學(xué)會(huì)看圖，圖表達(dá)的是速率與時(shí)間的關(guān)系，只要速率不隨時(shí)間變更而變更，說明在此條件下反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡了。所以處于平衡狀態(tài)的時(shí)間段是0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6。從圖中可得t1時(shí)刻正、逆反應(yīng)速率都增大，而且v(逆)＞v(正)，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，故溫度上升，v(逆)＞v(正)。圖中t3時(shí)刻速率增大，而且變更過程中v(逆)＝v(正)，說明平衡未被打破，所以應(yīng)當(dāng)是催化劑導(dǎo)致的。圖中t4時(shí)刻的變更，v′(逆)、v′(正)都減小且v′(逆)>v′(正)，所以變更條件應(yīng)為減小壓強(qiáng)。[答案](1)0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6(2)溫度上升加入催化劑減小壓強(qiáng)13．利用水煤氣合成二甲醚(CH3OCH3)所涉及的反應(yīng)如下：①2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)，平衡常數(shù)K1；②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，平衡常數(shù)K2；③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，平衡常數(shù)K3。(1)總反應(yīng)3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的平衡常數(shù)K＝________(用K1、K2、K3表示)。(2)肯定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率，可以實(shí)行的措施有________(填字母代號(hào))。a．加壓b．加入催化劑c．增大H2的濃度d．增大CO的濃度e．分別出二甲醚(3)已知反應(yīng)②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)在某溫度下的平衡常數(shù)為400。此溫度下，在密閉容器中加入CH3OH，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：物質(zhì)CH3OHCH3OCH3H2O濃度/(mol·L－1)0.440.60.6若經(jīng)10min反應(yīng)達(dá)到平衡，則c(CH3OH)＝________。[解析](1)總反應(yīng)可由①×2＋②＋③得到，即K＝Keq\o\al(2,1)K2K3。(2)總反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，所以加壓，平衡右移；增大反應(yīng)物H2的濃度、減小產(chǎn)物的濃度，都會(huì)使CO的轉(zhuǎn)化率上升。(3)初始時(shí)CH3OH的濃度為0.44mol·L－1＋2×0.6mol·L－1＝1.64mol·L－1，設(shè)平衡時(shí)CH3OCH3的濃度為xmol·L－1，則2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)eq\a\vs4\al(初始濃度/,mol·L－1)1.6400eq\a\vs4\al(轉(zhuǎn)化濃度/,mol·L－1)2xxxeq\a\vs4\al(平衡濃度/,mol·L－1)1.64－2xxx則平衡常數(shù)K＝eq\f(x2,1.64－2x2)＝400，x＝0.8，平衡時(shí)CH3OH的濃度為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[素養(yǎng)培優(yōu)練]14．對(duì)于反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在一密閉容器中加入肯定量的N2和H2，達(dá)到平衡時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)為p1，快速縮小容器體積使混合氣體的壓強(qiáng)變?yōu)閜2，一段時(shí)間后達(dá)到新的平衡，此時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)為p3，則p1、p2、p3的大小關(guān)系是()A．p2＞p1＞p3 B．p2＞p3＞p1C．p2＞p1＞p3 D．p2＞p1＝p3B[依據(jù)勒·夏特列原理，變更某一外界條件時(shí)，平衡只能向減弱這種變更的方向移動(dòng)。]15．肯定溫度下，在恒壓容器a和恒容容器b中，分別充入等量的體積比為1∶3的N2和H2。起先時(shí)兩容器的體積相同，則達(dá)到平衡時(shí)兩容器中N2的轉(zhuǎn)化率()A．a(chǎn)中大 B．b中大C．a(chǎn)、b中一樣大 D．無法推斷A[由題給信息可知，容器a中的反應(yīng)與容器b中的反應(yīng)相比，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，則平衡正向移動(dòng)，因此平衡時(shí)容器a中N2的轉(zhuǎn)化率大于容器b中N2的轉(zhuǎn)化率。]16．(雙選)相同溫度下，有體積相同的甲、乙兩個(gè)恒容容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分別進(jìn)行合成氨反應(yīng)。下列敘述中錯(cuò)誤的是()A．化學(xué)反應(yīng)速率：乙＞甲B．平衡后N2的濃度：乙＞甲C．H2的平衡轉(zhuǎn)化率：乙＞甲D．平衡混合氣體中H2的體積分?jǐn)?shù)：乙＞甲CD[因?yàn)橐胰萜髦械脑贤度肓空檬羌椎?倍，故A項(xiàng)正確。假設(shè)起先時(shí)乙容器的體積也是甲的2倍(如圖所示)，則此時(shí)甲、乙兩容器中達(dá)到的平衡是等效平衡。再將乙容器的體積壓縮至與甲相等(如圖中丙)，則在此過程中化學(xué)平衡要向正反應(yīng)方向移動(dòng)，即N2、H2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，它們?cè)谄胶饣旌蠚怏w中的體積分?jǐn)?shù)減小，故C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。此時(shí)，丙中N2、H2、NH3的濃度分別比甲中N2、H2、NH3濃度大，但丙中N2、H2的濃度要分別小于甲中N2、H2濃度的2倍，而丙中NH3的濃度要大于甲中NH3濃度的2倍，B項(xiàng)正確。]17．肯定條件下，利用CO2合成CH3OH的反應(yīng)如下：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1，探討發(fā)覺，反應(yīng)過程中會(huì)有副反應(yīng)：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2，溫度對(duì)CH3OH、CO產(chǎn)率的影響如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是()A．ΔH1＜0，ΔH2＞0B．增大壓強(qiáng)(縮小容器體積)有利于提高合成CH3OH的反應(yīng)速率C．生產(chǎn)過程中，溫度越高越有利于提高CH3OH的產(chǎn)率D．合成CH3OH反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝eq\f(c平H2O·c平CH3OH,c平CO2·c\o\al(3,平)H2)C[A項(xiàng)，依據(jù)圖像可知，上升溫度CH3OH的產(chǎn)率降低，反應(yīng)CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，ΔH1＜0，上升溫度CO的產(chǎn)率增大，反應(yīng)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，ΔH2＞0，正確；B項(xiàng)，增大壓強(qiáng)(縮小容器體積)有利于提高合成CH3OH的反應(yīng)速率，正確；C項(xiàng)，由圖像可知，溫度越高CH3OH的產(chǎn)率越低，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，依據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的概念，合成CH3OH反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝eq\f(c平CH3OH·c平H2O,c平CO2·c\o\al(3,平)H2)，正確。]18．工業(yè)上一般在恒容密閉容器中采納下列反應(yīng)合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＜0圖1圖2(1)圖1表示的是肯定溫度下，在體積為2L的密閉容器中加入5molH2和肯定量的CO后，CO和CH3OH(g)的濃度隨時(shí)間的變更狀況。反應(yīng)在10min時(shí)達(dá)到平衡，從反應(yīng)起先到達(dá)到平衡，用H2表示的平均反應(yīng)速率v(H2)＝____________________________________________________________________。(2)圖2表示在溫度分別為T1、T2時(shí)，平衡體系中H2的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)變更的曲線，A、C兩點(diǎn)的反應(yīng)速率A________C(填“＞”“＝”或“＜”，下同)，A、C兩點(diǎn)