鲁科版 (2019)选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨复习练习题

化学反应条件的优化——工业合成氨

(建议用时：40分钟)

[基础过关练]

1．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)

A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成

B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率

C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高

D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量

D　[工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。]

2．在某恒容密闭容器内，N2、H2的起始物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始反应，在相同条件下欲使平衡时各组分的百分含量相同，则应加入的NH3的物质的量及NH3的转化率为(　　)

A．15 mol，25%　 B．20 mol，50%

C．20 mol，75%  D．40 mol，80%

C　[从N2、H2开始反应时，N2为10 mol，H2为30 mol，若从NH3开始反应，并且平衡时各组分的百分含量与前者相同，则NH3的物质的量必须是20 mol，故A、D项错误。设从NH3开始反应时，NH3转化的物质的量为x，则有20 mol－x＝2×10 mol×25%，解得x＝15 mol，故NH3的转化率为×100%＝75%。]

3．(素养题)合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：

而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明(　　)

A．表中所测数据有明显误差

B．生产条件控制不当

C．氨的分解速率大于预测值

D．合成塔中的反应并未达到平衡

D　[表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。]

4．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　)

A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响

B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间

C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响

D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果

C　[对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。故答案为C。]

5．某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%，若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是(　　)

A．　　　B．　　　C．　　　D．

A　[设起始时H2为a mol、N2为b mol，平衡时NH3为x mol，则

　　　　　　3H2　＋　N22NH3

起始(mol):    a       b      0

平衡(mol):    a－   b－   x

依题意可得：×100%＝25%

化简得：＝，＝。]

6．一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应：S2Cl2(l，浅黄色)＋Cl2(g)2SCl2(l，鲜红色)　ΔH<0下列说法正确的是(　　)

A．达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深

B．单位时间内生成n mol S2Cl2，同时生成2n mol SCl2时，反应达到平衡状态

C．达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅

D．单位时间内有n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2时，平衡向正反应方向移动

B　[抽出Cl2，因容积可变，Cl2浓度不变平衡不移动，混合液颜色不变，A项错误；B项正确；降温，平衡正向移动，混合液颜色变深，C项错误；n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2，即v正＝v逆，平衡不移动，D项错误。]

7．某温度下，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．将1 mol N2和3 mol H2置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ

B．平衡状态由A到B时，平衡常数K(A)<K(B)

C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大

D．升高温度，平衡常数K增大

C　[该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。]

8．在反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0的平衡体系中，当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时，下列说法正确的是(　　)

A．t1时刻后的速率变化如图所示

B．t1时刻后达到新平衡前Q＞K

C．新平衡体系中NH3的含量增大

D．N2的平衡转化率增大

D　[分离出NH3，使体系中NH3的含量减小，则达到新平衡前Q＜K，v(正)＞v(逆)，平衡向正反应方向移动，故N2的平衡转化率增大。]

9．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)2]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH＜0。

(1)必须除去原料气中CO的原因是___________________。

(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件应是________________。

(3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是________。

[解析]　分析吸收CO反应的特点：正反应是气体体积缩小的放热反应，对于这样一个可逆反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。

[答案]　(1)防止合成塔中的催化剂中毒　(2)低温、高压　(3)高温、低压

10．(素养题)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol－1。已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：

(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是________________________。

(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是_____________________。

(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________。

(4)在生产中，通入过量空气的目的是

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________。

(5)尾气中有SO2必须回收是为了_________________________________。

[答案]　(1)常压、450 ℃、催化剂

(2)在此温度下催化剂的活性最高

(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失

(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率

(5)防止污染环境

[拓展培优练]

11．对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在一密闭容器中加入一定量的N2和H2，达到平衡时混合气体的压强为p1，迅速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2，一段时间后达到新的平衡，此时混合气体的压强为p3，则p1、p2、p3的大小关系是(　　)

A．p2＞p1＞p3     B．p2＞p3＞p1

C．p2＞p1＞p3  D．p2＞p1＝p3

B　[根据勒·夏特列原理，改变某一外界条件时，平衡只能向减弱这种改变的方向移动。]

12．一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率(　　)

A．a中大     B．b中大

C．a、b中一样大  D．无法判断

A　[由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。]

13．(双选)相同温度下，有体积相同的甲、乙两个恒容容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是(　　)

A．化学反应速率：乙＞甲

B．平衡后N2的浓度：乙＞甲

C．H2的平衡转化率：乙<甲

D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙＞甲

CD　[因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确。假设开始时乙容器的体积也是甲的2倍(如图所示)，则此时甲、乙两容器中达到的平衡是等效平衡。再将乙容器的体积压缩至与甲相等(如图中丙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C、D项错误。此时，丙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但丙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而丙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，B项正确。]

14．一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应如下：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1，研究发现，反应过程中会有副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，温度对CH3OH、CO产率的影响如图所示。下列说法错误的是(　　)

A.ΔH1＜0，ΔH2＞0

B．增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率

C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率

D．合成CH3OH反应的平衡常数K＝　

C　[A项，根据图像可知，升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)向逆反应方向移动，ΔH1＜0，升高温度CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)向正反应方向移动，ΔH2＞0，正确；B项，增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率，正确；C项，由图像可知，温度越高CH3OH的产率越低，错误；D项，根据化学平衡常数的概念，合成CH3OH反应的平衡常数K＝，正确。]

15．如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题：

(1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________ kJ。

(2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_______________。

(3)合成氨反应平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。

A．600 ℃　B．550 ℃　C．500 ℃　D．450 ℃

(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：

①表中x＝________ mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为________。

②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。

A．充入水蒸气　 B．升高温度

C．使用催化剂  D．充入氢气

[解析]　(1)由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每生成2 mol NH3放出(600－508)kJ＝92 kJ热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4)①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1·min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1。

　　　　　　　CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

     0.2    0.3       0        0

     0.1    0.1       0.1      0.3

    0.1    0.2       0.1      0.3

  0.01   0.01      0.01     0.03

     0.09   0.19      0.11     0.33

所以x＝0.11 mol·L－1。

②3 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应大于0.2 mol·L－1；若升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，反应产物浓度均增加，而且变化量正好等于化学方程式系数比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入H2，平衡向左移动，反应产物浓度均多于2 min时的浓度。

[答案]　(1)放热　92　(2)b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　(3)D　(4)①0.11　0.05 mol·L－1·min－1　②B