新教材高中化学第2章第4节化学反应条件的优化__工业合成氨达标训练含解析鲁科版必修一

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨
夯实基础轻松达标
1.德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而大大满足了当时日益增长的人口
对粮食的需求。

下列是哈伯法合成氨的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A.①②③
B.②④⑤
C.①③⑤
D.②③④
2.
合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。

对于密闭容器中的反
应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),673 K,30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。

下列叙述正确的是( )
A.点a的正反应速率比点b的小
B.点c处反应达到平衡
C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变,773 K条件下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大
3.将a L NH3通过灼热的装有铁催化剂的硬质玻璃管后,气体体积变为b L(气体体积均在同温同压下测定)。

该b L气体中NH3的体积分数是( )
A.2a-a
a B.a-a
a
C.2a-a
a
D.a-a
a
4.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)如下表所示:
压
强
20MPa 60MPa
温度
500 ℃19.1% 42.2%
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
5.将氮气和氢气的混合气体通入合成塔中,反应1小时达到平衡以后,N2、H2、NH3的浓度分别为
3 mol·L-1、7 mol·L-1、
4 mol·L-1,则下列结果不正确的是( )
A.v(H2)始=7 mol·L-1·h-1
B.c始(H2)=13 mol·L-1
C.c始(N2)=5 mol·L-1
D.H2的转化率为46.2%
6.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图:
下列说法正确的是( )
A.t1时升高了温度
B.t2时使用了催化剂
C.t3时增大了压强
D.t4时降低了温度
7.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为3∶1∶1,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4,则此时氮气的转化率为( )
A.10%
B.20%
C.15%
D.30%
8.在一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比1∶3的N2和H2。

开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较( )
A.a大
B.b大
C.a、b一样大
D.无法判断
9.在450 ℃时发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH<0。

若体系中只改变下列条件,请把影响结果填入表中。

提升能力跨越等级
1.在一定条件下,一定量的N2和H2合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3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体积的比值是( )
A.1
5
B.1
4
C.1
3
D.1
2
2.
合成氨反应达到平衡时,NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。

根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是( )
A.提高分离技术
B.研制耐高压的合成塔
C.研制低温催化剂
D.探索不用N2和H2合成氨的新途径
3.(2019山东青岛高二诊断)合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。

合成氨工业的生产流程如下:
关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
A.混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想
B.合成氨反应须在低温下进行
C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D.使用催化剂可以提高反应的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动
4.(双选)对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是( )
A.达到平衡后,加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小
B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率
C.达到平衡后,缩小容器体积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高氢气的转化率
D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为催化剂改变反应途径,降低反应的活化能
5.下列是关于N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图像,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t。

当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系不符合实际的是( )
6.将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中,在一定条件下,发生如下反应并达到平
衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。

当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时,下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( )
7.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义,对我国实现农业现代化也起着重要作用。

根据已学知识回答下列问题[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-92.4 kJ·mol-1]:
(1)合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是(填序号)。

A.采用较高压强(20~50 MPa)
B.采用500 ℃的高温
C.用铁触媒作催化剂
D.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来
(2)合成氨工业中采用了较高压强(20~50 MPa),而没有采用100 MPa或者更大压强,试解释没有这么做的理由。

(3)在容积均为2 L(容器体积不可变)的甲、乙两个容器中,分别加入2 mol N2、6 mol H2和1 mol N2、3 mol H2,在相同温度、催化剂下使其反应。

最终达到平衡后,两容器N2转化率分别为α甲、α乙,则甲容器中平衡常数为(用含α甲的代数式表示),此时α甲α乙(填“>”“<”或“=”)。

贴近生活拓展创新
1.电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,下列说法不正确的是( )
A.N 2生成NH 3是通过多步还原反应实现的
B.两个氮原子上的加氢过程同时进行
C.析氢反应(H *
+H
*
H 2)会影响NH 3的生成
D.NH 3的及时脱附有利于提高催化剂活性
2.合成氨工艺(流程如图所示)是人工固氮最重要的途径。

2018年是合成氨工业先驱哈伯获得诺贝尔奖100周年。

N 2和H 2生成NH 3的反应为:1
2
N 2(g)+3
2
H 2(g)
NH 3(g) ΔH (298 K)=-46.2 kJ·mol -1
,
在Fe 做催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态) 化学吸附:N 2(g)→2N *
;H 2(g)→2H *
表面反应:N *
+H *
NH *;NH *+H
*
N H 2*;N H 2*
+H
*
N H 3*
脱附:N H 3
*NH 3(g)
其中,N 2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。

请回答: (1)利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。

A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂 (2)标准平衡常数K θ
=
a (NH 3)
a θ[a (N 2
)/a θ]0.5
[a (H
2
)/a θ]
1.5
,其中p θ为标准压强(1×105
Pa),p (NH 3)、p (N 2)
和p (H 2)为各组分的平衡分压,如p (NH 3)=x (NH 3)p ,p 为平衡总压,x (NH 3)为平衡体系中NH 3的物质的量分数。

①N2和H2起始物质的量之比为1∶3,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则标准平衡常数Kθ= (用含w的最简式表示)。

②下图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是。

(3)实际生产中,常用工艺条件:Fe做催化剂,控制温度为773 K、压强为3.0×105 Pa,原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。

①分析说明原料气中N2过量的理由。

②关于合成氨工艺的下列理解,正确的是(填字母)。

A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.控制温度(773 K)远高于室温,是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
C.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率
D.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
E.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生
参考答案
第4节化学反应条件的
优化——工业合成氨
夯实基础·轻松达标
1.B 合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动,②④符合题意;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,⑤符合题意。

2.D a点的反应物浓度大于b点,所以反应速率a更快;c点的时候各种物质的浓度仍在变化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。

3.C 2NH3N2+3H2ΔV
2 1
3 2
可见,分解的氨的体积为(b-a)L,则剩余氨的体积为a L-(b-a)L=(2a-b)L,该b L气体中NH3
的体积分数是2a-a
a。

4.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D项符合题意。

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。

5.A 由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4mol·L-1,说明转化了4mol·L-1,则由化学方程式中化学式前面的系数关系知N2消耗了2mol·L-1,H2消耗了6mol·L-1,所以c始
(H2)=13mol·L-1,c始(N2)=5mol·L-1,H2的转化率为6mol·L -1
13mol·L-1
×100%=46.2%。

6.B 若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错误;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,故C错误;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错误。

7.A 由题意设开始时H2、N2、NH3的物质的量分别为3mol、1mol、1mol。

平衡时N2转化了a mol,则根据“三段式”分析:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
初始物质的量/mol 1 3 1
转化物质的量/mol a3a2a
平衡物质的量/mol 1-a3-3a1+2a
则(1-a)
(1+2a)=3
4
,解之得a=0.1。

N2的转化率为0.1mol
1mol
×100%=10%。

8.A 先假设a容器开始时也保持容积不变,则达到平衡时容器a中N2的转化率与容器b 中N2的转化率相等,但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。

由于容器a恒压,若要保持开始时的压强,必然要缩小容器a的容积,则平衡会正向移动。

因此再次达平衡时,N2的转化率会增大。

9.答案(1)增大增大正向移动减小
(2)增大增大逆向移动减小
(3)减小减小正向移动增大
(4)增大 增大 正向移动 增大 (5)增大 增大 逆向移动 减小 (6)增大 增大 不移动 不变 (7)不变 不变 不移动 不变
提升能力·跨越等级
1.A 设起始时H 2的物质的量为a mol,N 2的物质的量为b mol,平衡时NH 3的物质的量为x mol,则:
3H 2+ N 2
2NH 3 ΔV
起始/mol a b
平衡/mol
a -3a 2
b -a
2
x x
因为在相同条件下,气体的物质的量之比等于体积之比,根据题意可得方程:
a
(a -3a 2)+(a -a
2
)+a =0.25,化简得
a
a +a
=1
5
,故A 项正确。

2.C 由题图可知,NH 3的体积分数随着温度的升高而显著下降,故要提高NH 3的体积分数,必须降低温度,但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

3.B 低温虽然有利于平衡正向移动,但低温会导致反应速率降低,不利于提高生产效率,B 项错误。

4.CD 达到平衡后,加入N 2,平衡向正反应方向移动,达到新平衡后,NH 3的浓度会增大,而N 2的浓度比原平衡的大,A 项错误;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH 3的生成,B 项错误;达到平衡后,缩小容器体积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,又有利于提高H 2的转化率,C 项正确;加入催化剂,改变了反应途径,降低了反应的活化能,从而缩短反应达到平衡的时间。

5.A 合成氨反应是气体体积减小的放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。

达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A 项错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B 项正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C 项正确;补充N 2和H 2,则平衡体系中反应物的浓度增大,所以正反应速率增大,分离出NH 3,产物的浓度减小,所以逆反应速率减小,所以D 项正确。

6.A 升高温度,平衡逆向移动,则N2的转化率变小,A正确;压缩体积使压强增大,平衡正向移动,由于容器的体积减小,则达到新平衡后N2的浓度仍变大,B错误;充入一定量的H2,平衡正向移动,N2的转化率增大,但H2的转化率减小,C错误;使用适当催化剂,可改变化学反应速率,但平衡不移动,则N2的体积分数不变,D错误。

7.答案(1)BC
(2)采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备,从而增加生产成本(其他合理答案也可)
(3)4a
甲
2
27(1-a
甲)
>
解析(1)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动;采用500℃不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500℃左右催化剂活性最大。

催化剂只改变反应速率,不改变平衡移动;生成氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度,平衡正向移动。

(2)采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。

(3)在甲容器中,反应的N2为2mol×α甲,则有
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
初始物质的量/mol 1 3 0
转化物质的量/mol α甲3α甲2α甲
平衡物质的量/mol 1-α甲3-3α甲2α甲
则K=(2a
甲
)2
(1-a
甲)·(3-3a
甲
)3
=4
a
甲
2
27(1-a
甲
)4。

甲与乙相比,相当于在乙平衡的基础上增大压强,平衡正向移动,即甲容器中的平衡正向移动的程度更大,所以α甲>α乙。

贴近生活·拓展创新
1.B 由图可知,N2生成NH3是通过N2→*N2→*NNH……NH3多步还原反应实现的,故A不符合题意;由图可知,加氢过程是分步进行的(*N2→*NNH→*NHNH),故B符合题意;析氢反应
(H*+H*H2)会导致NH3中H不足,从而影响NH3的生成,故C不符合题意;NH3的及时脱附,能够增加催化剂与反应物的接触面积,即有利于增加催化剂活性,故D不符合题意。

2.答案(1)AD (2)①
2
②A
(3)①原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决定整体反应速率的主要步骤,N2适度过量有利于提高整体反应速率
②ADE
解析(1)合成氨反应是气体分子数减小的放热反应,所以低温、高压有利于提高合成氨的平衡产率,A 、D 正确。

(2)①K θ=
a (NH 3)a θ(a (N 2)a θ)0.5(a (H 2)a θ)1.5=a θa (NH 3)a θ(a θa (N 2)a θ)0.5(a θa (H 2)a θ)1.5=a (NH 3)[a (N 2)]0.5[a (H 2)]1.5 12N 2(g)+32H 2(g)
NH 3(g) 起始/mol
1232 0 平衡/mol
12−12a 32−32a a 根据题意得:a 1=w
K θ=
a (NH 3)[a (N 2)]12[a (H 2)]32 =a
2-a
(12-12a 2-a )12(32-32a 2-a )32
=a
2-a
(12)12(1-a )12(32)32(1-a )32
(2-a )12(2-a )3
2
=a 2-a
×(2-a )2(12)12(12)32·332(1-a )2=14×3√3(1-a )2=14×3√3(1-a )2=a 2。

②温度升高,平衡左移,标准平衡常数减小,应选A 。

(3)①N 2在空气中大量存在,容易得到,所以N 2可适度过量,以便提高H 2的转化率;②根据合成氨反应的特点及平衡移动原理分析可知,A 、D 、E 正确。