鲁科版高中化学选修四第4节化学反应条件的优化—工业合成氨

化学·选修 /化学反响原理 (鲁科版 )
第 4 节化学反响条件的优化—工业合成氨
1．有关合成氨工业的说法中，正确的选项是()
A．从合成塔出来的混淆气体，此中 NH3只占 15%，所以生产氨的工厂的效率都很低
B．因为氨易液化， N2、H2在实质生产中是循环使用，
所以整体来说氨的产率很高
C．合成氨工业的反响温度控制在 500 ℃，目的是使化学
均衡向正反响方向挪动
D．合成氨厂采纳的压强是 2×10 7～5×10 7 Pa ，因为该压强下铁触媒的活性最大
分析：合成氨的反响在适合的生产条件下达到均衡时，
原料的转变率其实不高，但生成的 NH3分别出后，再将未反响的N2、H2循环利用，这样办理后，可使生产氨的产率都较高，故A 项错误， B 项正确；合成氨工业选择 500 ℃左右的温度，是综合了多方面的要素确立的，因合成氨的反响是放热反
应，低温才有益于均衡向正反响方向挪动，故 C 项错误；不论从反响速率仍是化学均衡考虑，高压更有益于合成氨，但
压强太大，对设施、动力的要求更高，鉴于此选择了 2×10 7～5×10 7 Pa 的高压，催化剂活性最大时的温度是
500 ℃，故
D项错误。

答案： B
2．工业合成氨的反响是在500 ℃左右进行的，这主要是因为 ()
A．500℃时此反响速率最快
B．500℃时 NH3的均衡浓度最大
C．500 ℃时 N2的转变率最高
D．500 ℃时该反响的催化剂活性最大
分析：工业合成氨反响采纳 500 ℃的温度，有三个方面的原由：①有较高的反响速率；②反响物有较大的转变率；③催化剂的活性最大。

答案： D
3．合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反响
速率增快，不行采纳的方法是A．增补 N2()
B．高升温度
C．增大压强D．分别出NH3
分析：增补 N2、增大压强既能加速反响速率，又能促使均衡向生成氨的大向挪动；分别出 NH3，能使均衡向生成氨的方向挪动，反响速率是提升的；高升温度能加速反响速率，但不利于氨的生成。

答案： B
4． ( 双选题 ) 合成氨工业对公民经济和社会发展拥有重
要的意义。

对于密闭容器中的反应： N2(g) ＋3H2(g) ? 2NH3(g) ，在 673 K 、30 MPa 下n(NH3) 和n(H 2) 随
时间变化的关系以下图。

以下表达正确的选项是()
A．点A的正反响速率比点 B 的大
B．点C处反响达到均衡
C．点D( t1时辰 ) 和点E( t2时辰 ) 处n(N2) 不相同
D．其余条件不变， 773 K 下反响至t1时辰，n(H2) 比上图
中 D点的值大
分析：在 AB 段可逆反响向正反响方向挪动，跟着反响
的进行，反响物浓度在减小，正反响速率在降低，应选项A 正确；C点时NH3、H2的物质的量仍在变化，未达到化学均衡，应选项
B 不正确；t1时辰和t2时辰都处于相同的化学均衡状态，则 n(N2)不变，应选项C不正确；因为正反响是一个放热反响，高升温度
化学均衡向逆反响方向挪动，均衡时 n(H2)比题图中 D点的值要大，应选项D正确。

答案： AD
5．氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是目前的
重要研究内容之一。

传统哈伯法合成氨工艺中有关的反响
式为： N2＋ 3H2?2NH3＜ 0。

H
(1)该反响的均衡常数 K的表达式为： K＝______；高升温度， K值______(选填“增大”“减小”或“不变”)。

分析：依据化学方程式可写出均衡常数为＝
c 2(NH3 )/
K
[ c(N2) ·c3(H 2)] ，因为反响放热，高升温度均衡向逆反响
方向挪动，则均衡常数减小。

答案： c2(NH3)/ [c(N2)· c3(H2)]减小
(2)不同温度、压强下，合成氨均衡系统中NH3的物质的
量分数见下表 (N2和 H2的开端物质的量之比为 1∶3) 。

剖析表中
数据， ________( 填温度和压强 ) 时 H2转变率最高，实质工业
生产不采纳该条件的主要原由是
_______________________________________________
_________________________ 。

压强 /MPa
氮的均衡
0.110203060100含量 /%
温度 / 摄氏度
20015.381.586.489.995.498.8
300 2.252.064.271.084.292.6
4000.425.138.247.065.279.8
5000.110.619.126.442.257.5
6000.05 4.59.113.823.131.4
分析：在200 ℃、100 MPa 时氨气的含量最大，则H2转变率最高，但实质工业生产中压强不可以太大，因压强太高，
对生产设施要求也高，难以实现。

答案： 200 ℃、 100 MPa 压强太高，对生产设施要求也
高，难以实现
(3)以下对于合成氨说法正确是 ________( 填字母 ) 。

A．使用催化剂能够提升氮气的转变率B．找寻常温下的适
合催化剂是将来研究的方向
C．因为H＜0、 S＞0，故合成氨反响必定能自觉进
行
D．增大n(N 2) ∶n(H2) 的比值，有益于提升H2的转变率
分析：催化剂不影响均衡挪动，故 A 错误；找寻常温下
的适合催化剂可减少能量的耗费，为研究的主要方向，故B
正确；S＜0，需在必定温度 4 才能进行，故 C 错误；增大
n(N2)可提升H2的转变率，故 D 正确。

答案： BD
6 ． CO 可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g) ＋2H2(g) ?CH3OH(g)。

CO在不同温度下的均衡转变率与压强
的关系以下图。

该反响的H____0(选填“＞”或
“＜” ) 。

实质生产条件控制在 250 ℃、 1.3 ×10 4 kPa 左右，选
择此压强的原由
_______________________________________________ _________________________ 。

分析：依据图示，当压强相同时，降低温度， CO的均衡转变率高升，说明降温均衡向正反响方向挪动，所以正反响
为放热反响，则H＜0。

答案： < 在 1.3 ×10 4 kPa 下，CO的均衡转变率已较高，再增大压强， CO的均衡转变率提升不大，而生产成本增添，得失相当
1．以下有关合成氨的说法中正确的选项是()
A．降温并加压有益于提升氨在均衡混淆物中的百分含
量
B．升温并加压有益于提升氨在均衡混淆物中的百分含
量
C．经过调控温度和压强，就必定能获取氨在均衡混
淆物中的百分含量
D．经过调控温度、压强、氮气和氢气的分压比，就
必定能使氮气和氢气完整转变成氨
分析：氮气与氢气合成氨是气体物质的量减小的放热反
响，降平和加压均能使化学均衡状态向生成氨的反响方向挪
动；改变反响物的浓度或气态反响物的分压也能改变氨在均
衡混淆物中的百分含量；不论采纳什么举措，使可逆反响的
反响限度达到 100%都是不行能的。

答案： A
2．合成氨所需H2可由煤和水反响制得，此中的一步反
应为CO(g) ＋ H2O(g) ?CO2(g) ＋ H2(g)(正反应是放热反应 ) ，欲提升 CO的转变率可采纳的方法有：①降低温度；②
增大压强；③使用催化剂；④增大CO 的浓度；⑤增大水蒸
气的浓度；此中正确的组合是()
A．①②③B．④⑤
C．①⑤D．⑤
分析：该反响为气体体积不变的反响，改变压强只好改
变反响速率，但不可以改变 CO 的转变率；该反响的正方向为
放热反响，所以降低温度可使均衡向正反响方向挪动，提升
CO的转变率；增大反响物的浓度可使另一反响物的转变率提
升，而自己转变率降低；催化剂只好改变化学反响速率，但不
可以使均衡挪动。

答案： C
3．NO2蒸气易形成 N2O4： 2NO(g) ? N2O4(g)( 正反响为放热反响 ) ，现欲较正确测定 NO2的相对分子质量，应采纳的
反响条件是 ()
A．高温低压B．低温高压
C．低温低压D．高温高压
分析：题目要求正确测定NO2的相对分子质量，而 NO2(g)易形成 N2O4(g) ，不利于 NO2的相对分子质量的测定。

故要正
确测定 NO2的相对分子质量，就一定使上述均衡向生成NO2分子的方向挪动，因为上述正反响是一个体积减小的放热反
应，要使均衡向逆反响方向挪动，则应采纳高温低压的举措
才行。

答案： A
4．反响N2 (g) ＋ 3H2(g)2NH3(g)H<0在某一时间段中反响速率与反响过程的曲线关系如右图所示，则氨的百分含量最高的一段时间段是( t1～t6，只改变了温度或压强)()
A．t C．t 0～t 1
3～t 4D
B ．t
．t
2～t 3
5～t 6
分析：本题考察了对速率—时间图象的剖析。

化学均衡
时 v 正＝ v 逆，氨的百分含量不变。

t 1～t 2、t 4～ t 5，v逆大于 v 正，均衡向左挪动，以致氨的百分含量减少。

所以氨
的百分含量最高时是 t 0～ t 1。

答案： A
5．合成氨的温度和压强往常控制在约
77
比为 1∶3，经科学实验测定，在相应条件下，
500 ℃以及N2和 H2的体积N2和 H2反响所
得氨的均衡浓度( 体积分数 ) 以下表所示，而实质从合成塔出来的混淆气体中含有氨约为15%，这表示 ()
压强
2×10 7 Pa6×10 7 Pa
温度
500 ℃19 .142.2
A.表中所测数占有显然偏差
B．生产条件控制不妥
C．氨的分解速率大于展望
值
D．合成塔中的反响并未达到均衡
分析：表中数据为科学实验测定，不行能有显然偏差；
合成氨连续进行，不会忽然改变生产条件；均衡的浓度问题与
速率的大小没有直接关系，而达到均衡状态的时间则取决于
反响速率的大小；均衡浓度是该条件下该可逆反响的最高生
成物浓度，所以 D 项正确。

答案： D
6．在合成氨的反响中，N2和 H2的初始加入量为110 mL、130 mL，当达到均衡时，气体的整体积变成220 mL，则生成NH 的体积为 ()
3
A．10 mL B． 20 mL
C．25 mL D． 30 mL
分析：依据
N2＋3H2?2NH
3V
132V＝ 2
110 mL130 mL V
(NH3)＝110 mL＋ 130 mL－
220 mL＝ 20 mL 减小 2 体积也等于生成NH3的体积数，即：
V
＝20 mL
(NH3)
答案： B
7．合成氨时，一定除掉原料气中的杂质，其主要目的
是 ()
A．防备催化剂中毒
B．有益于均衡的挪动
C．提升 N2与 H2的转变率
D．减少副反响
分析：原料气中的杂质能使催化剂中毒，所以原料气
在进入合成塔从前需要除掉这些杂质。

答案： A
8．工业上合成氨是在必定条件下进行以下反响：N2 (g)＋3H2(g) ? 2NH3 (g) H＝－ 92.44 kJ ·mol －1，其部分工艺流
程以以下图所示：
反响系统中各组分的部分性质见下表：
气体氮气氢气氨
熔点/ ℃－ 210.01－ 252.77－ 77.74
沸点/ ℃－ 195.79－ 259.23－ 33.42
回答以下问题：
(1)写出该反响的化学均衡常数表达式： K＝________。

跟着温度高升， K 值________(选填“增大”、“减小”或“不
变” ) 。

2
(g)?
2NH3(g) 不难写出：
分析：由方程式 N2(g) ＋ 3H2
＝[NH3]
2]3 ，依据此反响，说明正反响为放热反
K[N 2] ·[H H<0
应，高升温度均衡向吸热方向挪动，即向左挪动， [NH3] 减小，[N 2] 和 [H 2] 增大，故K减小。

[NH3] 2
减小
答案：
[N 2] ·[H 2] 3
(2)均衡常数 K值越大，表示________(填字母)。

A．N2的转变率越高
B．NH3的产率越大
C．原猜中 N2的含量越高
D．化学反响速率越快
分析：均衡常数 K 值越大，说明[NH3]越大，[N2]和[H2]
就越小，说明反响进行的程度大，故 N2的转变率就越高， NH3
的产率就越大。

( 注：产率是指实质产生的 NH3与理论产生的
NH3的物质的量之比 )
答案： A、 B
(3)合成氨反响的均衡常数很小，所以在工业上采纳气
体循环的流程。

即反响后经过把混淆气体的温度降低到
________ 使 __________ 分离出来；继续循环的气体是________。

分析：依据气体的熔、沸点可知，氨气简单液化，使其
分别可使均衡正向挪动，节余N2和H2循环使用，以提升产率。

答案：－33.42 ℃氨 N2和 H2
9．合成氨反响在工业生产中的大批运用，知足了人口
的急剧增添对粮食的需求，也为有机合成供给了足够的原料——氨。

合成氨反应是一个可逆反应： N2 (g)＋
?H
3H2(g)2NH(g) 。

在 298 K 时：＝－ 92.2 kJ ·mol，
－1
3
K＝4.1×106(mol·L－1)－2。

(1)从均衡常数来看，反响的限度已经很大，为何还
需要使用催化剂？
_______________________________________________ _________________________ 。

分析：对于一个实质工业生产的反响原理，既要考虑
反响的限度问题，也要考虑反响的速率问题，使用催化剂主
假如为了在不影响限度的状况下加速反响速率。

答案：使用催化剂主假如为了在不影响限度的状况下加
速反响速率，提升单位时间内的产量
(2) 试剖析实质工业生产中采纳700 K 左右的温度的原因：
_______________________________________________ _________________________ 。

分析：在该温度下，催化剂的活性最大。

答案：在该温度下，催化剂的活性最高，速率较大，
反响的限度固然有所降低，但综合剖析，单位时间内的产量
仍是最理想的
(3)298 K,1.01 ×10 5 Pa，在 10 L 密闭容器中充入 10 mol 氮气、 30 mol 氢气和 20 mol 氨气，开始的瞬时，反响向
________( 选填“正”或“逆” ) 方向进行，反响进行 5 min 后系统能量的变化为________( 选填“汲取”或“放
出” )184.4 kJ ，容器内压强变成本来的________倍。

分析：依照 Q＝[(20 mol/10 L)2]/[(10mol/10 L) ·(30 mol/10 L) 3 ] ＝4/27(mol ·L－1) －2< ＝4.1 ×10 6(mol ·L－1 ) －2，
K
反响正向进行，放出热量，且放出热量的数值为92.2 kJ·mol －1的两倍，故 5 min 时生成的氨气为 4 mol，用三步式表示为
N2 (g) ＋3H2(g) ?2NH3(g)
开端量 (mol)103020
转变量 (mol)264
5 min 时(mol)82424
故 5 min 时气体总物质的量为8＋ 24＋ 24＝56(mol) ，容器内压强变成本来的56/60 ＝ 14/15 。

答案：正放出14/15
(4)从开始至 5 min 时，用 N2浓度变化表示该反响的均匀
速率为 ____________ 。

分析： v(N2)＝(2 mol/10 L)/5min＝0.04 mol·L－1·min
－1
答案： 0.04 mol ·L－1·min －1
10．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反响将SO2转变为 SO3是一个重点步骤。

压强及温度对 SO2转变率的影响以下表所示 ( 原料气各成分的体积分数为： SO2 7%，O2 11%，N2 82%)：
压强 /Mpa
转变率 /%10温度/ ℃
40099.299.699.799.9
50093.596.997.899.3
60073.785.889.596.4
(1)已知 SO2的氧化是放热反响，怎样利用表中数据推测
此结论？
_______________________________________________ _________________________ 。

答案：压强一准时，温度高升，SO2转变率降落，说明
升温有益于逆反响进行，所以正反响为放热反响
(2)在 400～500 ℃时， SO2的催化氧化采纳常压而不是
高压，主要原由是：
_______________________________________________
_________________________ 。

答案：增大压强对提升 SO2转变率无明显影响，反而会
增添生产成本
(3) 选择适合的催化剂，能否能够提升SO2的转变率？
________( 选填“是”或“否” ) ，能否能够增大该反响所放
出的热量？ ________( 选填“是”或“否” ) 。

答案：否否
(4)为提升 SO3汲取率，实质生产顶用 ________汲取 SO3。

答案：浓硫酸
(5) 已知： 2SO3(g) ＋ O2(g)===2SO3(g)H
＝－ 196.6
kJ·mol －1
，计算每生产 1 万吨 98%硫酸所需要的
3
SO质量
和
由 SO生产这些 SO 所放出的热量。

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答案： 1 万吨98%的硫酸含 H2SO4的质量为9.8 ×10 9 g ，设需要 SO的质量为x，该反响产生的热量为y，则：
3SO ～H
H2SO～
43
98 g80 g196.6 ×0.5 kJ
9.8 ×10 9 g x y
x＝9.8 ×10 9g×80 g
9 g ＝8.0 ×10
3
t ，
＝8.0 ×10
98 g
y＝8.0 ×10 3t ×98.3 kJ
9kJ
＝9.83 ×10
80 g。