学年选修 化学反应条件的优化工业合成氨 作业 含答案

第四节化学反应条件的优化——工业合成氨
1．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )
A．铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
解析：选C 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强加快反应速率，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。

2．合成氨反应使用催化剂的理由是( )
A．使逆反应不发生
B．使平衡向正反应方向移动
C．加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间
D．提高原料的转化率
解析：选C 使用催化剂，加快反应速率，缩短达到平衡时间，但平
衡不移动。

3．合成氨时，既要使H
2
的转化率增大，又要使反应速率增大，可采取的方法是( )
A．补充H
2
B．升高温度
C．增大压强D．使用催化剂
解析：选C 合成氨反应是放热、气态物质系数减小的反应，补充H
2
、
升高温度、增大压强、使用催化剂都能使反应速率增大，但补充H
2
会使
H
2的转化率减小；升高温度使平衡左移，H
2
的转化率减小；使用催化剂，
平衡不移动，H
2的转化率不变；只有增大压强会使平衡右移，H
2
的转化率
增大。

4．如图所示是合成氨的简要流程示意图，图中沿x路线到压缩机的物质是( )
A．N
2和H
2
B．催化剂
C．N
2D．H
2
解析：选A 在合成塔中氨的产率较低，有大量未反应的N
2和H
2
，为
提高原料的利用率，将未反应的原料气循环利用。

5．下列措施不能使合成氨反应的速率增大的是( )
A．升高温度B．降低温度
C．使用催化剂D．及时分离出NH
3
解析：选B 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)(H2)c－1(NH3)，可知及时分离出NH3能提高合成氨反应的速率；升高温度、使用催化剂能提高合成氨反应的速率。

6.合成氨反应达到平衡时，NH
3
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N
2和H
2
合成氨的新途径
解析：选C 由题图可知，NH
3
的体积分数随着温度的升高而显着下降，
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700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

7．一定条件下，将 mol H
2和 mol N
2
充入恒容密闭容器中，发生反应
N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(g)，并达到平衡状态，则H
2
的转化率可能是( ) A．15% B．30%
C．35% D．75%
解析：选A 对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。

利用
“极限法”，假设N
2完全转化，则消耗的H
2
的物质的量为n(H2)＝3n(N2)
＝ mol，但事实上，N
2是不可能完全转化的，因而消耗的H
2
的物质的量一
定小于 mol，故H
2
的转化率α(H2)<错误!×100%＝30%。

8．下列关于N
2＋3H
2
2NH
3
反应速率与时间的关系图中，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中不符合实际的是( )
解析：选A 合成氨反应的化学方程式的特点是：体积缩小、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图像错误；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图像正确；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图像也是正确的；补充N
2和H
2
，则平衡体
系中反应物的浓度增加，所以正反应速率增大，分离出NH
3
，产物的浓度降低，所以逆反应速率减小，所以D图像正确。

9．在密闭容器内，使 1 mol N
2与 3 mol H
2
混合发生下列反应：3H
2
＋N
2
2NH
3
ΔH<0
(1)合成氨时选择500 ℃高温的目的是
________________________________________
___________________________________________________________ _____________。

(2)当反应达到平衡时，N
2和H
2
的浓度比是________。

(3)当达到平衡时，充入氩气，并保持体积不变，平衡将________移动。

(4)当达到平衡时，充入氩气，并保持压强不变，平衡将________移动，反应速率将________。

(5)当达到平衡时，充入N
2
并保持压强不变，平衡将________移动。

(6)当达到平衡时，保持体积不变，升高温度时，混合气体的平均相对分子质量________，密度________。

解析：合成氨时选择500 ℃高温可以加快反应速率，而且工业上用的
催化剂在该温度时活性最大；因为初始和转化的N
2和H
2
的浓度比都是
1∶3，所以当反应达到平衡时，N
2和H
2
的浓度比是1∶3；平衡时保持体积
不变，充入氩气平衡不移动；保持压强不变充入氩气，容器体积变大，反
应速率将变小，平衡逆向移动；充入N
2
并保持压强不变，平衡将正向移动；保持体积不变，升高温度时，平衡逆向移动，混合气体的质量不变，总物质的量变大，平均相对分子质量变小，密度不变。

答案：(1)加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大(2)1∶3(3)不(4)逆向变小
(5)正向(6)减小不变
10．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH
含量
3
的变化情况。

的含量(体积分数)c(投料V(N2)∶V(H2)达到平衡时平衡混合物中NH
3
＝1∶3]
(1)比较200 ℃和300 ℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为________(填“吸热”或“放热”)反应。

(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是____________________________________。

A．高温高压 B．高温低压
C．低温高压 D．低温低压
(3)计算500 ℃，30 MPa时N
2
的转化率________。

(4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500 ℃对反应速率的影响，还采取了一些措施请分别写出其中的一个措施：______________________________________
_______________________________________________________________ _________。

解析：(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。

(2)由反应N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(g) ΔH＜0，合成氨适宜条件是低
温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。

(3)假设N
2的用量为1 mol，H
2
的用量为3 mol，N
2
的消耗量为x mol，
则：
N 2(g) ＋3H
2
(g)2NH
3
(g)
初始量(mol) 1 3 0
转化量(mol) x 3x 2x
平衡量(mol) 1－x 3－3x 2x
得：
2x
2x＋?1－x?＋?3－3x?
×100%＝%
x＝
α(N2)＝错误!×100%＝%。

(4)增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，500 ℃时加入合适的催化剂(铁)，既提高化学反应速率，又使铁的催化性能最好。

答案：(1)逆反应放热
(2)C (3)%
(4)加过量N
2或及时从平衡体系中移走NH
3
，选择合适的催化剂(如铁)
1．可逆反应N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(g) ΔH<0，达到平衡后，为了
使氢气的转化率增大，下列选项中采用的三种方法正确的是( )
A．升高温度、降低压强、增加氮气
B．降低温度、增大压强、加入催化剂
C．升高温度、增大压强、增加氮气
D．降低温度、增大压强、分离出部分氨气
解析：选D 要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故选D。

2．下列说法能够用平衡移动原理来解释的是( )
A．加入催化剂可以提高单位时间氨的产量
B．高压有利于氨的合成反应
C．500 ℃高温比室温更利于合成氨的反应
D．恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡增多
正向移动，NH
3
解析：选B A项，加入催化剂只能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动；B项，合成
氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正向移动，有利于合成氨，符合平衡移动原理；C项，因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度，500 ℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动，采用500 ℃既考虑到温度对速率的影响，更主要的是
500 ℃左右催化剂活性最大；D项，恒温恒容下充入He，He不与N
2、H
2
、
NH
3
反应，虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变，平衡不移
动，NH
3
的产量不变。

3．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( )
解析：选A 设起始时H
2
为a mol、N2为b mol，平衡时NH3为x mol，则
3H
2＋ N
2
2NH
3
起始(mol): a b 0
平衡(mol)：a－3x
2
b－
x
2
x
依题意可得：
x
a －3x 2＋
b －x 2
＋x
×100%＝25%
化简得：
x a ＋b －x ＝14
解得：x
a ＋
b ＝1
5，即反应后缩小的气体的物质的量与原反应物的总物
质的量之比为1
5。

根据相同条件下，体积之比等于物质的量之比，反应后
缩小的气体体积与原反应物的体积之比为1
5。

4．工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N 2(g)＋3H 2(g)
2NH 3(g)反应的图像中，错误的是( )
解析：选C 合成氨的正反应是放热反应，升高温度正、逆反应速率都增大，但逆反应速率增大的程度大，A 正确；在T 1时φ(NH 3)最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，φ(NH 3)减小，B 正确，C 错误；增
大压强，平衡正向移动，φ(NH3)增大，D正确。

5．合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。

合成氨工业的生产流程如图所示。

下列关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B．合成氨反应需在低温下进行
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速率，但不能使平衡向正反应方向移动解析：选B 混合气的循环利用可以提高原料的利用率，减少污染和浪费，符合绿色化学思想，A项正确；低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率和催化剂发挥催化作用，故合成氨不采用低温条件，B项错误；增大压强，平衡正向移动，提高了原料的转化率，C项正确；催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，D项正确。

6．合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得，其中的一步反应为：
CO(g)＋H 2O(g)
催化剂
CO 2(g)＋H 2(g) ΔH <0
反应达到平衡后，为提高CO 的转化率，下列措施中正确的是( )
A ．增加压强
B ．降低温度
C ．增大CO 的浓度
D ．更换催化剂
解析：选B 选项A ，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO 的转化率无影响；选项B ，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右移动，提高CO 的转化率；增大CO 的浓度会降低CO 的转化率；选项D ，更换催化剂不能使化学平衡发生
移动。

7.对于密闭容器中的反应：N 2(g)＋3H 2(g)2NH 3(g) ΔH <0，在673
K 、30 MPa 下，n (NH 3)和n (H 2)随时间变化的关系如图所示。

下列叙述正确的是( )
A ．a 点的正反应速率比b 点的大
B ．c 点处反应达到平衡状态
C ．d 点(t 1时刻)和e 点(t 2时刻)处n (N 2)不一样
D ．其他条件不变，温度为773 K 时反应至t 1时刻，n (H 2)比图中d 点
的值小
解析：选A 由图可以看出，N
2和H
2
反应生成氨气，开始时正反应速
率最大，A项正确；c点时H2和NH3的物质的量相等，但二者的含量还在变化，没有达到平衡状态，B项错误；t1时反应已经达到平衡状态，d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)相同，C项错误；773 K高于673 K，升温后平衡逆向移动，t1时刻n(H2)在773 K时比673 K时的多，D项错误。

8.在反应N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(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NH
3
的含量增大
D．N
2
的平衡转化率增大
解析：选D 分离出NH
3，使体系中NH
3
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．工业合成氨N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(g)反应过程中的能量变化如图
所示，据图回答下列问题：
(1)该反应通常用活性铁作催化剂，加活性铁会使图中B点____________(填“升高”或“降低”)，理由是______________________________________________________。

(2)450 ℃时该反应的平衡常数________500 ℃时的平衡常数(填“<”“>”或“＝”)。

(3)一定条件下的密闭容器中，该反应达到平衡，要提高H
2
的转化率，可以采取的合理措施有________(填字母代号)。

a．高温高压b．加入催化剂c．增加N
2的浓度d．增加H
2
的浓度e．分离出NH
3
解析：(1)催化剂能降低反应的活化能；(2)该反应正向为放热反应，低温有利于平衡正向移动，450 ℃时反应正向进行的程度大，即450 ℃对应的平衡常数K大；(3)高温使化学平衡逆向移动，H2转化率降低，a不合
理；催化剂对平衡无影响，b不合理；增加N
2的浓度可以提高H
2
的转化率，
c可以；d降低H
2的转化率；分离出NH
3
，有利于平衡右移，e可以。

答案：(1)降低催化剂能降低反应活化能
(2)> (3)ce
10．工业合成氨是在一定条件下进行如下反应：N
2
(g)＋
3H
2(g)2NH
3
(g) ΔH＝－kJ·mol－1，其部分工艺流程如图所示：
反应体系中各组分的部分性质见下表
气体氮气氢气氨
熔点
/℃
－－－
沸点
/℃
－－－
回答下列问题：
(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K＝________。

随着温度的升高，K值____________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)K值越大，表明________(填字母)。

A．其他条件相同时N
2
的转化率越高
B．其他条件相同时NH
3
的产率越大
C．原料中N
2
的含量越高
D．化学反应速率越快
(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到________使________分离出来；继续循环的气体是________。

解析：(1)由化学方程式N
2(g)＋3H
2
(g)2NH
3
(g)可知，K＝
[NH
3
]2
[N
2
][H
2
]3
，
此反应ΔH<0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，
即向左移动，[NH
3]减小，[N
2
]和[H
2
]增大，故K减小。

(2)K值越大，说明
[NH
3]越大，[N
2
]和[H
2
]就越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同
时N
2的转化率越高，NH
3
的产率越大。

(3)根据物质的熔、沸点可知，氨气
容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N
2和H
2
循环使用，以提高产
率。

答案：(1)
[NH
3
]2
[N
2
][H
2
]3
减小(2)A、B
(3)－℃氨N
2和H
2。