2019高中化學(xué)第二章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率2.4化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨精練魯科版.docx

化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨A組1.1913年德國(guó)化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法,從而大大滿足了當(dāng)時(shí)日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖,其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A.B.C.D.解析:合成氨反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,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(dòng),正確;將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉(zhuǎn)化率,正確。答案:B2.下列說(shuō)法能夠用勒夏特列原理來(lái)解釋的是()A.加入催化劑可以提高單位時(shí)間氨的產(chǎn)量B.高壓有利于氨的合成反應(yīng)C.700 K高溫比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D.恒溫恒容下,在合成氨平衡體系中充入He,使壓強(qiáng)增大,則平衡正向移動(dòng),NH3增多解析:A項(xiàng)中加入催化劑只能加快反應(yīng)速率,縮短到達(dá)平衡的時(shí)間,提高“單位時(shí)間”的產(chǎn)量,不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。B項(xiàng)中合成氨是一個(gè)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應(yīng),所以增大壓強(qiáng),使平衡向正方向移動(dòng),有利于合成氨,符合勒夏特列原理。C項(xiàng)中因?yàn)楹铣砂笔且粋€(gè)放熱反應(yīng),所以從化學(xué)平衡移動(dòng)角度分析,應(yīng)采用較低溫度。700K高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動(dòng)。采用700K既考慮到溫度對(duì)速率的影響,更主要的是700K左右催化劑活性最大。D項(xiàng)中恒溫恒容下充He,稀有氣體He不與N2、H2、NH3反應(yīng)。雖總壓強(qiáng)增大了,實(shí)際上平衡體系各成分濃度不變(即分壓不變),所以平衡不移動(dòng),NH3的產(chǎn)量不變。答案:B3.將a L NH3通過(guò)灼熱的裝有鐵催化劑的硬質(zhì)玻璃管后,氣體體積變?yōu)閎 L(氣體體積均在同溫同壓下測(cè)定)。該b L氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)是()A.2a-baB.b-abC.2a-bbD.b-aa解析:2NH3N2+3H2V2132可見(jiàn),分解的氨的體積:(b-a)L,則剩余氨的體積:aL-(b-a)L=(2a-b)L,該bL氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)是2a-bb。答案:C4.下列關(guān)于N2+3H22NH3反應(yīng)速率與時(shí)間的關(guān)系圖中,縱坐標(biāo)為反應(yīng)速率v,橫坐標(biāo)為時(shí)間t,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后,條件發(fā)生改變與速率變化的關(guān)系中不符合實(shí)際的是()解析:合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式的特點(diǎn)是:體積縮小、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(dòng)。達(dá)到化學(xué)平衡后,若升高溫度,化學(xué)平衡左移,實(shí)際上此時(shí)是逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率,所以A圖像錯(cuò)誤;如果給體系加壓,體系中所有物質(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圖像正確;使用催化劑不會(huì)使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng),只能改變化學(xué)反應(yīng)速率,所以C圖像也是正確的;補(bǔ)充N2和H2,則平衡體系中反應(yīng)物的濃度增加,所以正反應(yīng)速率增大,分離出NH3,產(chǎn)物的濃度降低,所以逆反應(yīng)速率減小,所以D圖像正確。答案:A5.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3 molL-1、7 molL-1、4 molL-1,則下列結(jié)果不正確的是()A.v(H2)始=7 molL-1h-1B.c0(H2)=13 molL-1C.c0(N2)=5 molL-1D.H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%解析:由題知,起始NH3濃度為0,達(dá)到平衡后為4molL-1,說(shuō)明轉(zhuǎn)化了4molL-1,則由化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系知N2消耗了2molL-1,H2消耗了6molL-1,所以c0(H2)=13molL-1,c0(N2)=5molL-1,H2的轉(zhuǎn)化率為6molL-113molL-1100%=46.2%。答案:A6.合成氨反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1,在反應(yīng)過(guò)程中,正反應(yīng)速率的變化如圖:下列說(shuō)法正確的是()A.t1時(shí)升高了溫度B.t2時(shí)使用了催化劑C.t3時(shí)增大了壓強(qiáng)D.t4時(shí)降低了溫度解析:若t1時(shí)升高了溫度,則隨后v(正)應(yīng)增大至平衡,A錯(cuò);若t3時(shí)增大了壓強(qiáng),v(正)應(yīng)增大,而不會(huì)減小,故C錯(cuò);若t4時(shí)降低了溫度,則v(正)應(yīng)突然減小,曲線不應(yīng)相連,D錯(cuò)。答案:B7.高溫下,某反應(yīng)達(dá)平衡,平衡常數(shù)K=COH2OCO2H2。恒容時(shí),溫度升高,H2濃度減小。下列說(shuō)法正確的是()A.該反應(yīng)的焓變?yōu)檎礏.恒溫恒容下,增大壓強(qiáng),H2濃度一定減小C.升高溫度,逆反應(yīng)速率減小D.該反應(yīng)化學(xué)方程式為CO+H2OCO2+H2解析:由平衡常數(shù)表達(dá)式寫(xiě)出可逆反應(yīng)為CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),D項(xiàng)錯(cuò)誤;由于升高溫度,H2濃度減小,說(shuō)明升溫平衡正向進(jìn)行,因此正反應(yīng)是吸熱反應(yīng),焓變?yōu)檎?A項(xiàng)正確;由于反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)相等,增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng),但若通入H2其濃度會(huì)增大,B項(xiàng)錯(cuò)誤;升高溫度,正逆反應(yīng)速率都會(huì)增大,C項(xiàng)錯(cuò)誤。答案:A8.一定條件下,在密閉容器中,通入N2、H2進(jìn)行N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,下列敘述正確的是()A.充分反應(yīng)后,密閉容器中N2和H2至少有1種物質(zhì)的濃度為零B.使用適宜的催化劑,可以加快反應(yīng)速率C.增加H2的濃度或降低溫度,都會(huì)加快正反應(yīng)速率D.反應(yīng)達(dá)平衡后,減小容器的體積,H2的濃度不變解析:由可逆反應(yīng)定義可知A錯(cuò)誤;降低溫度,反應(yīng)速率降低,C錯(cuò)誤;減小反應(yīng)容器的體積,不論平衡向哪個(gè)方向移動(dòng),各物質(zhì)的濃度均增大,D錯(cuò)誤。答案:B9.在450 時(shí),N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,體系中只改變下列條件,請(qǐng)把影響結(jié)果填入表中。改變條件正反應(yīng)速率逆反應(yīng)速率平衡移動(dòng)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)升高溫度(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(dòng)減小(2)增大增大逆向移動(dòng)減小(3)減小減小正向移動(dòng)增大(4)增大增大正向移動(dòng)增大(5)增大增大逆向移動(dòng)減小(6)增大增大不移動(dòng)不變(7)不變不變不移動(dòng)不變10.紅礬鈉(重鉻酸鈉:Na2Cr2O72H2O)是重要的化工原料,工業(yè)上用鉻鐵礦(主要成分是FeOCr2O3)制備紅礬鈉的過(guò)程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):4FeOCr2O3(s)+8Na2CO3(s)+7O2(g)8Na2CrO4(s)+2Fe2O3(s)+8CO2(g)H0(Na2CrO4在一定條件下可轉(zhuǎn)化為Na2Cr2O7)(1)請(qǐng)寫(xiě)出上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式:K=。(2)圖1、圖2表示上述反應(yīng)在t1時(shí)達(dá)到平衡、在t2時(shí)因改變某個(gè)條件而發(fā)生變化的曲線。由圖1判斷,反應(yīng)進(jìn)行至t2時(shí),曲線發(fā)生變化的原因是(用文字表達(dá));由圖2判斷,t2到t3的曲線變化的原因可能是(填寫(xiě)序號(hào))。A.升高溫度B.加入催化劑C.通入O2D.縮小容器體積解析:(1)根據(jù)K的書(shū)寫(xiě)要求,固體和純液體不出現(xiàn)在平衡常數(shù)表達(dá)式中,所以K=CO28O27。(2)t2時(shí)刻,CO2、O2濃度均未發(fā)生變化,既不能繼續(xù)通入CO2、O2,也不能改變?nèi)萜黧w積,則外界條件只能是改變溫度,且CO2濃度增大,O2濃度減小,說(shuō)明改變溫度時(shí)平衡正向移動(dòng),分析反應(yīng)知降低溫度,平衡正向(即放熱方向)移動(dòng);t2到t3時(shí)刻,平衡沒(méi)有發(fā)生移動(dòng),但是v變大,由此確定使用了催化劑。答案:(1)CO28O27(2)對(duì)平衡體系降溫,平衡正向移動(dòng),CO2濃度增大,O2濃度減小BB組1.在一定條件下,合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后,混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)為25%。若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是()A.15B.14C.13D.12解析:設(shè)起始時(shí)H2的物質(zhì)的量為a,N2的物質(zhì)的量為b,平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量為x。3H2+N22NH3V起始/molab0平衡/mola-3x2b-x2xx因?yàn)樵谙嗤瑮l件下,氣體的物質(zhì)的量之比等于體積之比,據(jù)題意,可得方程:x(a-3x2)+(b-x2)+x=0.25,化簡(jiǎn)得xa+b=15,故A項(xiàng)正確。答案:A2.工業(yè)合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng),下列關(guān)于N2(g)+3H2(g)2NH3(g)反應(yīng)的圖像中,錯(cuò)誤的是()解析:合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度正、逆反應(yīng)速率都增大,但逆反應(yīng)速率增大的程度大,A正確;在T1時(shí)(NH3)最大,達(dá)到平衡,再升高溫度,平衡逆向移動(dòng),(NH3)減小,B正確,C錯(cuò)誤;增大壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),(NH3)增大,D正確。答案:C3.合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如下圖所示。根據(jù)此圖分析合成氨工業(yè)最有前途的研究方向是()A.提高分離技術(shù)B.研制耐高壓的合成塔C.研制低溫催化劑D.探索不用N2和H2合成氨的新途徑解析:由圖可知:(NH3)隨著溫度的升高而顯著下降,故要提高(NH3),必須降低溫度,但目前所用催化劑活性最好時(shí)的溫度為700K,故最有前途的研究方向?yàn)檠兄频蜏卮呋瘎?。答?C4.下表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強(qiáng)下,平衡混合物中NH3含量的變化情況。達(dá)到平衡時(shí)混合物中NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))入料V(N2)V(H2)=13壓強(qiáng)/MPaNH3的含量/%溫度/0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4(1)比較200 和300 時(shí)的數(shù)據(jù),可判斷升高溫度,平衡(填“正”或“逆”)向移動(dòng),正反應(yīng)方向?yàn)?填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。(2)根據(jù)平衡移動(dòng)原理,合成氨適宜的條件是。A.高溫高壓B.高溫低壓C.低溫高壓D.低溫低壓(3)計(jì)算500 、30 MPa時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率。(4)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)合成氨時(shí),考慮濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響,還采取了一些措施。請(qǐng)寫(xiě)出其中的一個(gè)措施:。解析:(1)由表中數(shù)據(jù)可以看出,在0.1MPa下,200NH3的含量比300NH3的含量高,故知升高溫度平衡逆向移動(dòng),進(jìn)而根據(jù)平衡移動(dòng)原理判斷出正反應(yīng)方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)。(2)由表中數(shù)據(jù)知,在相同壓強(qiáng)下,溫度越高,NH3的含量越低;相同溫度時(shí),壓強(qiáng)越大,NH3的含量越高,故合成氨適宜條件是低溫高壓。(3)N2+3H22NH3起始/mol130轉(zhuǎn)化/moln3n2n平衡/mol1-n3-3n2n2n(1-n)+(3-3n)+2n100%=26.4%n=0.4177故N2的轉(zhuǎn)化率為0.41771100%=41.77%。答案:(1)逆放熱(2)C(3)41.77%(4)加入過(guò)量的N2(或及時(shí)從平衡混合物中移走NH3)5.2014年11月11日至14日,全國(guó)化工合成氨設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2014年技術(shù)交流會(huì)在貴州省貴陽(yáng)市召開(kāi),會(huì)議組織觀摩考察了貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司年產(chǎn)50萬(wàn)噸合成氨裝置。工業(yè)上合成氨是在一定條件下進(jìn)行如下反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1,其部分工藝流程如圖所示:反應(yīng)體系中各組分的部分性質(zhì)見(jiàn)下表:氣體氮?dú)鈿錃獍比埸c(diǎn)/-210.01-252.77-77.74沸點(diǎn)/-195.79-259.23-33.42回答下列問(wèn)題:(1)寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式:K=。隨著溫度升高,K值(填“增大”“減小”或“不變”)。(2)K值越大,表明(填字母)。A.其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越高B.其他條件相同時(shí)NH3的產(chǎn)率越大C.原料中N2的含量越高D.化學(xué)反應(yīng)速率越快(3)在工業(yè)上采取氣體循環(huán)的流程,即反應(yīng)后通過(guò)把混合氣體的溫度降低到使分離出來(lái);繼續(xù)循環(huán)的氣體是。解析:(1)由化學(xué)方程式N2(g)+3H2(g)2NH3(g)不難寫(xiě)出:K=NH32N2H23,此反應(yīng)H0,說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡向吸熱方向移動(dòng),即向左移動(dòng),K減小。(2)K值越大,說(shuō)明NH3越大,N2和H2就越小,說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度大,故其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率就越高,NH3的產(chǎn)率就越大。(3)根據(jù)氣體的熔、沸點(diǎn)可知,氨氣容易液化,使其分離可使平衡正向移動(dòng),剩余N2和H2循環(huán)使用,以提高產(chǎn)率。答案:(1)NH32N2H23減小(2)AB(3)-33.42 氨N2和H26.工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-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(shuō)法能說(shuō)明上述反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的是(填序號(hào))。單位時(shí)間內(nèi)生成2n mol NH3的同時(shí)生成3n mol H2單位時(shí)間內(nèi)生成6n mol NH鍵的同時(shí)生成2n mol HH鍵用N2、H2、NH3的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率之比為132混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大容器內(nèi)的氣體密度不變(2)某溫度下,合成氨反應(yīng)在容積為2 L的密閉容器中進(jìn)行,測(cè)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根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算:反應(yīng)進(jìn)行到2 h時(shí)放出的熱量為kJ。01 h內(nèi)N2的平均反應(yīng)速率為molL-1h-1。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))。反應(yīng)達(dá)到平衡后,若往平衡體系中再加入N2、H2和NH3各1.00 mol,化學(xué)平衡將(填“正”或“逆”)向移動(dòng)。解析:(1)所述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);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;未指明各物質(zhì)表示的化學(xué)反應(yīng)速率是正反應(yīng)速率還是逆反應(yīng)速率,無(wú)法判斷;混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大,說(shuō)明氣體的物質(zhì)的量減小,反應(yīng)正向進(jìn)行;因?yàn)槿莘e固定,所以密度始終保持不變。(2)2h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92.2kJmol-10.30mol=27.66kJ。v(N2)=12v(NH3)=120.20mol2L1h=0.05m