新教材2023-2024學(xué)年高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率分層作業(yè)13化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨課件魯科版選擇性必修1

分層作業(yè)13化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨1234567891011121314151617A級必備知識基礎(chǔ)練181.德國化學(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)化率而采取的措施是(

)A.①②③ B.②④⑤C.①③⑤ D.②③④B123456789101112131415161718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。1234567891011121314151617182.合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會發(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)隨時間變化的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是(

)A.點a的正反應(yīng)速率比點b的小B.點c處反應(yīng)達到平衡C.點d(t1時刻)和點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點的值大D解析

a點的反應(yīng)物濃度大于b點,所以反應(yīng)速率a更快;c點之后各種物質(zhì)的濃度仍在變化,并沒有達到平衡;而d、e兩點時達到平衡,濃度不再變化;升高溫度,平衡逆向移動,氫氣的濃度變大。1234567891011121314151617183.對于合成氨工業(yè),只從提高原料轉(zhuǎn)化率看,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分離出氨A.②④⑤ B.②④⑦C.①④⑤ D.②③⑥B解析

合成氨反應(yīng)為N2+3H2

2NH3

ΔH<0,因而可知降低溫度有利于反應(yīng)向生成氨氣的方向進行;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行;加催化劑只會改變速率卻無法改變轉(zhuǎn)化率;及時分離反應(yīng)產(chǎn)物也有利于反應(yīng)向生成氨氣的方向進行。故綜上所述②④⑦符合題意。1234567891011121314151617184.合成氨反應(yīng)通?？刂圃?0MPa~50MPa的壓強和500℃左右的溫度,且進入合成塔的氮氣和氫氣的體積比為1∶3,經(jīng)科學(xué)測定,在相應(yīng)條件下氮氣和氫氣反應(yīng)所得氨的平衡濃度(體積分?jǐn)?shù))如下表所示:溫度壓強20MPa60MPa500℃19.1%42.2%而實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)條件控制不當(dāng)C.氨的分解速率大于預(yù)測值D.合成塔中的反應(yīng)并未達到平衡D123456789101112131415161718解析

表中數(shù)據(jù)為通過科學(xué)實驗所得,不可能有明顯誤差;合成氨連續(xù)操作,不可能對生產(chǎn)條件控制不當(dāng);平衡濃度問題與速率的大小沒有直接關(guān)系,因此D項符合題意。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)達到平衡,因為讓反應(yīng)達到平衡需要一定的時間,時間太長得不償失。1234567891011121314151617185.將氮氣和氫氣的混合氣體通入合成塔中,反應(yīng)1小時達到平衡以后,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.從開始到平衡時v(H2)=7mol·L-1·h-1B.c始(H2)=13mol·L-1C.c始(N2)=5mol·L-1D.H2的平衡轉(zhuǎn)化率為46.2%A解析

由題知,起始NH3濃度為0,達到平衡后NH3的濃度為4

mol·L-1,說明轉(zhuǎn)化了4

mol·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2

mol·L-1,H2消耗了6

mol·L-1,所以v(H2)=6

mol·L-1·h-1,c始(H2)=13

mol·L-1,c始(N2)=5

mol·L-1,H2的平衡轉(zhuǎn)化率為

×100%≈46.2%。1234567891011121314151617186.(2023河北邯鄲魏縣五中高二期中)平衡移動原理在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有許多重要應(yīng)用,下列事實能用勒·夏特列原理解釋的是(

)A.2HI(g)H2(g)+I2(g),加壓,體系顏色變深B.已知反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,高溫比低溫更有利于NH3的生成C.工業(yè)上用SO2合成SO3,增加氧氣的量可提高SO2的利用率D.工業(yè)上合成氨,使用鐵觸媒可提高NH3日產(chǎn)量C123456789101112131415161718解析

對于氣體分子數(shù)不變的反應(yīng),加壓時平衡不移動,體系顏色變深是有色氣體濃度增大造成的,不能用勒·夏特列原理解釋,A項不符合題意;合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動,故高溫不利于NH3的生成,不能用勒·夏特列原理解釋,B項不符合題意;對于反應(yīng)2SO2+O22SO3,增加氧氣的量,平衡正向移動,可提高SO2的利用率,可以用勒·夏特列原理解釋,C項符合題意;使用鐵觸媒作催化劑,可以加快反應(yīng)速率,但平衡不移動,不能用勒·夏特列原理解釋,D項不符合題意。1234567891011121314151617187.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)速率的變化如圖:下列說法正確的是(

)A.t1時升高了溫度

B.t2時使用了催化劑C.t3時增大了壓強

D.t4時降低了溫度B123456789101112131415161718解析

若t1時升高了溫度,則隨后v(正)應(yīng)增大至平衡,A錯誤;若t3時增大了壓強,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。1234567891011121314151617188.在一定溫度和壓強下,在密閉容器中充入H2、N2、NH3,開始時其物質(zhì)的量之比為3∶1∶1,反應(yīng)達平衡后,H2、N2、NH3的物質(zhì)的量之比為9∶3∶4,則此時氮氣的轉(zhuǎn)化率為(

)A.10% B.20% C.15% D.30%A123456789101112131415161718解析

由題意設(shè)開始時H2、N2、NH3的物質(zhì)的量分別為3

mol、1

mol、1

mol。平衡時N2轉(zhuǎn)化了a

mol,則根據(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+2a1234567891011121314151617189.在一定溫度下,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。開始時體積相同,達到平衡時兩容器中N2的轉(zhuǎn)化率比較(

)A.a大

B.b大C.a、b一樣大

D.無法判斷A解析

先假設(shè)a容器開始時也保持容積不變,則達到平衡時容器a中N2的轉(zhuǎn)化率與容器b中N2的轉(zhuǎn)化率相等,但達到平衡時,a容器的壓強比開始變小了。由于容器a恒壓,若要保持開始時的壓強,必然要縮小容器a的容積,則平衡會正向移動。因此再次達平衡時,N2的轉(zhuǎn)化率會增大。123456789101112131415161718其中,N2吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢,決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請回答:123456789101112131415161718解析

ΔH(298

K)=-46.2

kJ·

mol-1是氣體體積減小的放熱反應(yīng),低溫有利于平衡正向移動,提高NH3的平衡產(chǎn)率,A正確、B錯誤;降低壓強平衡逆向移動,不利于提高NH3的平衡產(chǎn)率,C錯誤、D正確;催化劑只改變反應(yīng)速率,不改變化學(xué)平衡,不能提高NH3的平衡產(chǎn)率,E錯誤。(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AD123456789101112131415161718(2)實際生產(chǎn)中,常用Fe作催化劑,控制溫度773K,壓強3.0×107Pa,原料中N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8。分析說明原料氣中N2過量的兩個理由:

__________________________________________________________、

__________________________________________________________。

原料氣中N2相對易得,適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率N2的吸附分解是決定反應(yīng)速率的步驟,適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率123456789101112131415161718(3)關(guān)于合成氨工藝的下列理解,正確的是________(填字母)。

A.合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零B.當(dāng)溫度、壓強一定時,在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體,有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率C.基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化,不斷將液氨移去,有利于反應(yīng)正向進行D.分離空氣可得N2,通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑“中毒”ACD123456789101112131415161718解析

ΔH(298

K)=-46.2

kJ·mol-1是氣體體積減小的放熱反應(yīng),該反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零,A正確;NH3易液化,不斷將液氨移去,有利于反應(yīng)正向移動,C正確;合成氨的反應(yīng)在合成塔中發(fā)生,原料氣中的N2是從空氣中分離得到的,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑“中毒”,D正確。123456789101112131415161718B級關(guān)鍵能力提升練以下選擇題有1~2個選項符合題意。11.在密閉容器中進行如下反應(yīng):N2+3H2

2NH3

ΔH<0,當(dāng)反應(yīng)達到平衡時,其他條件不變,若壓縮容器容積使其變?yōu)樵瓉淼囊话?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的百分含量增加BD解析

壓縮容器容積使其變?yōu)樵瓉淼囊话?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。12345678910111213141516171812.合成氨反應(yīng)達到平衡時,NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強的關(guān)系如圖所示。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C解析

由題圖可知,NH3的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而顯著下降,故要提高NH3的體積分?jǐn)?shù),必須降低溫度,但目前所用催化劑鐵觸媒的活性最高時的溫度較高,故最有前途的研究方向為研制低溫催化劑。12345678910111213141516171813.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)須在低溫下進行C.對原料氣進行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率D.使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B123456789101112131415161718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項錯誤。12345678910111213141516171814.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.達到平衡后,加入N2,當(dāng)重新達到平衡時,NH3的濃度比原平衡的大,N2的濃度比原平衡的小B.達到平衡后,升高溫度,既加快了正、逆反應(yīng)速率,又提高了NH3的產(chǎn)率C.達到平衡后,縮小容器容積,既有利于加快正、逆反應(yīng)速率,又有利于提高氫氣的轉(zhuǎn)化率D.加入催化劑可以縮短達到平衡的時間,是因為催化劑改變反應(yīng)途徑,降低反應(yīng)的活化能CD123456789101112131415161718解析

達到平衡后,加入N2,平衡向正反應(yīng)方向移動,達到新平衡后,NH3的濃度會增大,而N2的濃度比原平衡的大,A項錯誤;達到平衡后,升高溫度,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項錯誤;達到平衡后,縮小容器容積即增大壓強,正、逆反應(yīng)速率都增大,平衡向正反應(yīng)方向移動,有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率,C項正確;加入催化劑,改變了反應(yīng)途徑,降低了反應(yīng)的活化能,從而縮短反應(yīng)達到平衡的時間,D項正確。12345678910111213141516171815.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)達到平衡后,條件發(fā)生改變與速率變化的關(guān)系不符合實際的是(

)A123456789101112131415161718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。達到化學(xué)平衡后,若升高溫度,化學(xué)平衡左移,實際上此時是逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率,所以A項錯誤;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項正確;使用催化劑不會使化學(xué)平衡發(fā)生移動,只能改變化學(xué)反應(yīng)速率,所以C項正確;補充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,分離出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項正確。12345678910111213141516171816.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,對我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化也起著重要作用。根據(jù)已學(xué)知識回答下列問題[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4kJ·mol-1]:(1)合成氨工業(yè)采取的下列措施不可用平衡移動原理解釋的是________(填序號)。

A.采用較高壓強(20MPa~50MPa)B.采用500℃的高溫C.用鐵觸媒作催化劑D.將生成的氨液化并及時從體系中分離出來BC123456789101112131415161718解析

反應(yīng)N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)是氣體體積減小的反應(yīng),增大壓強,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,采用500

℃不僅考慮到溫度對反應(yīng)速率的影響,更主要的是500

℃時催化劑活性最大。催化劑只改變反應(yīng)速率,不改變平衡移動;將生成的氨液化并分離出來,減少體系中氨的濃度,平衡正向移動。123456789101112131415161718(2)合成氨工業(yè)中采用了較高壓強(20MPa~50MPa),而沒有采用100MPa或者更大壓強,試解釋沒有這么做的理由________________________。

采用更大壓強會要求使用能耐更大壓強的設(shè)備,從而增加生產(chǎn)成本(其他合理答案也可)解析

采用更大壓強,需要使用承受更大壓強的設(shè)備,會增加生產(chǎn)成本,不經(jīng)濟。123456789101112131415161718(3)在容積均為2L(容器體積不可變)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________(填“>”“<”或“=”)α乙。

>123456789101112131415161718解析

在甲容器中,反應(yīng)的N2為2

mol×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甲甲與乙相比,相當(dāng)于在乙平衡的基礎(chǔ)上增大壓強,平衡正向移動