2022年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 .pdf

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1、化学选修 /化学反应原理 (鲁科版 ) 第 4节化学反应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从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占 15% ，所以生产氨的工厂的效率都很低B由于氨易液化， N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C合成氨工业的反应温度控制在500 ，目的是使化学平衡向正反应方向移动D合成氨厂采用的压强是21075107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大解析： 合成氨的反应在适宜的生产条件下到达平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3别离出后，再将未反应的 N2、H2循环利用， 这样处理后， 可使生产氨的产率都较高，故 A项错

2、误， B 项正确； 合成氨工业选择500 左右的温度，是综合了多方面的因素确定的，因合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高， 基于此选择了21075107 Pa 的高压，催化剂活性最大时的温度是500 ，故D项错误。答案： B2工业合成氨的反应是在500 左右进行的，这主要是因为 ( ) A500 时此反应速率最快B500 时 NH3的平衡浓度最大精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页C500 时 N2

3、的转化率最高D500 时该反应的催化剂活性最大解析： 工业合成氨反应采用500 的温度，有三个方面的原因：有较高的反应速率；反应物有较大的转化率；催化剂的活性最大。答案： D3合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，不可采取的方法是( ) A补充 N2B升高温度C增大压强 D别离出 NH3解析： 补充 N2、增大压强既能加快反应速率，又能促进平衡向生成氨的大向移动；别离出NH3，能使平衡向生成氨的方向移动， 反应速率是提高的； 升高温度能加快反应速率，但不利于氨的生成。答案： B4(双选题 ) 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

4、 反 应 ： N2(g)3H2(g)2NH3(g) ，在 673 K 、30 MPa 下n(NH3) 和n(H2) 随时间变化的关系如下图。以下表达正确的选项是( ) A点A的正反应速率比点B的大B点C处反应到达平衡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 下反应至t1时刻，n(H2) 比上精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 14 页图中D点的值大解析： 在AB段可逆反应向正反应方向移动，随着反应的进行，反应物浓度在减小，正反应速率在降低，故选项A正确；C点时 NH3、H2的

5、物质的量仍在变化，未到达化学平衡，故选项 B不正确；t1时刻和t2时刻都处于同样的化学平衡状态，则n(N2) 不变，故选项C 不正确；由于正反应是一个放热反应，升高温度化学平衡向逆反应方向移动，平衡时n(H2)比题图中D点的值要大，故选项D正确。答案： AD 5氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一。传统哈伯法合成氨工艺中相关的反应式为： N23H2 2NH3H0。(1) 该反应的平衡常数K的表达式为：K_；升高温度，K值 _( 选填“增大”“减小”或“不变”)。解析： 根据化学方程式可写出平衡常数为Kc2(NH3)/ c(N2)c3(H2) ，由于反应放热，升高温度平

6、衡向逆反应方向移动，则平衡常数减小。答案：c2(NH3)/ c(N2)c3(H2) 减小(2) 不同温度、 压强下， 合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表 (N2和 H2的起始物质的量之比为13)。分析表中数据， _( 填温度和压强 )时 H2转化率最高， 实际工业生产不选用该条件的主要原因是_。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页压强 /MPa 氮的平衡含量 /% 温度 / 摄氏度10 20 30 60 100 200 300 400 500 600 解析： 在 200 、 100 MPa 时氨气的含量最大，

7、则H2转化率最高， 但实际工业生产中压强不能太大，因压强太高，对生产设备要求也高，难以实现。答案： 200 、 100 MPa 压强太高，对生产设备要求也高，难以实现(3) 以下关于合成氨说法正确是 _( 填字母 )。A使用催化剂可以提高氮气的转化率B寻找常温下的合适催化剂是未来研究的方向C由于 H0、S0，故合成氨反应一定能自发进行D增大n(N2)n(H2) 的比值，有利于提高H2的转化率解析： 催化剂不影响平衡移动，故A 错误；寻找常温下的合适催化剂可减少能量的消耗，为研究的主要方向，故B正确；S0，需在一定温度4 才能进行，故C错误；增大n(N2) 可提高 H2的转化率，故D正确。精选学

8、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页答案： BD6 CO 可 用 于 合 成 甲 醇 ， 反 应 方 程 式 为CO(g) 2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如下图。该反应的H_0( 选填“”或“” )。实际生产条件控制在250 、1.3 104kPa 左右，选择此压强的理由_。解析： 根据图示，当压强相同时，降低温度，CO的平衡转化率升高，说明降温平衡向正反应方向移动，因此正反应为放热反应，则H0。答案： 在 1.3 104kPa 下，CO的平衡转化率已较高，再增大压强， CO的平衡转

9、化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失1以下有关合成氨的说法中正确的选项是( ) A降温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量B升温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量C通过调控温度和压强，就一定能获得氨在平衡混合物中的百分含量D通过调控温度、压强、氮气和氢气的分压比，就一定能使氮气和氢气完全转化为氨精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页解析： 氮气与氢气合成氨是气体物质的量减小的放热反应，降温和加压均能使化学平衡状态向生成氨的反应方向移动；改变反应物的浓度或气态反应物的分压也能改变氨在平衡混合物中的百分含量

10、；无论采取什么措施，使可逆反应的反应限度到达100% 都是不可能的。答案： A2合成氨所需H2可由煤和水反应制得，其中的一步反应 为CO(g) H2O(g)CO2(g) H2(g)(正 反 应是 放 热 反应) ，欲提高 CO的转化率可采用的方法有：降低温度；增大压强；使用催化剂；增大CO的浓度；增大水蒸气的浓度；其中正确的组合是( ) AB C D解析： 该反应为气体体积不变的反应，改变压强只能改变反应速率，但不能改变CO的转化率；该反应的正方向为放热反应，所以降低温度可使平衡向正反应方向移动，提高CO的转化率；增大反应物的浓度可使另一反应物的转化率提高，而本身转化率降低；催化剂只能改变化学

11、反应速率，但不能使平衡移动。答案： C3NO2蒸气易形成N2O4：2NO2(g)N2O4(g)( 正反应为放热反应 ) ，现欲较准确测定NO2的相对分子质量，应采用的反应条件是 ( ) A高温低压 B低温高压C低温低压 D高温高压精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 14 页解析：题目要求准确测定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。故要准确测定NO2的相对分子质量，就必须使上述平衡向生成NO2分子的方向移动，由于上述正反应是一个体积缩小的放热反应，要使平衡向逆反

12、应方向移动，则应采取高温低压的措施才行。答案： A4反应N2 (g) 3H2(g) 2NH3(g) H0在某一时间段中反应速率与反应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(t1t6，只改变了温度或压强 )( ) At0t1 B t2t3Ct3t4 Dt5t6解析： 此题考查了对速率时间图象的分析。化学平衡时v正v逆，氨的百分含量不变。t1t2、t4t5，v逆大于v正，平衡向左移动，致使氨的百分含量减少。所以氨的百分含量最高时是t0t1。答案： A5合成氨的温度和压强通常控制在约500 以及21075107 Pa 的范围，且进入合成塔的N2和 H2的体积比为 13，经科学实验

13、测定，在相应条件下， N2和 H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数 ) 如下表所示， 而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15% ，这说明 ( ) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 14 页压强温度2107 Pa 6107 Pa 500 19 .1 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到达平衡解析： 表中数据为科学实验测定，不可能有明显误差；合成氨连续进行，不会突然改变生产条件；平衡的浓度问题与速率的大小没有直接关系，而到达平衡状态的时间则取决于反应速率的大小；平衡浓度是该条件下该可逆反应的最高

14、生成物浓度，所以D项正确。答案： D6在合成氨的反应中，N2和 H2的初始加入量为110 mL 、130 mL ，当到达平衡时，气体的总体积变为220 mL ，则生成NH3的体积为 ( ) A10 mL B20 mL C25 mL D30 mL 解析： 根据N23H22NH3 1 3 2 V2 110 mL 130 mL V(NH3) V110 mL130 mL 220 mL20 mL 缩小 2 体积也等于生成NH3的体积数，即：V(NH3) 20 mL 答案： B精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 14 页7合成氨时，必须

15、除去原料气中的杂质，其主要目的是( ) A防止催化剂中毒B有利于平衡的移动C提高 N2与 H2的转化率D减少副反应解析： 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以前需要除去这些杂质。答案： A8工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)3H2(g) 2NH3 (g) H92.44 kJ mol1，其部分工艺流程如以下图所示：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/ 答复以下问题：(1) 写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 14 页随着温度升高，

16、K值_( 选填“增大”、“减小”或“不变” )。解析： 由方程式N2(g) 3H2 (g)2NH3 (g) 不难写出：KNH32N2 H23，根据此反应H0，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， NH3 减小，N2 和H2 增大，故K减小。答案：NH32N2 H23减小(2) 平衡常数K值越大，说明 _( 填字母 ) 。AN2的转化率越高BNH3的产率越大C原料中 N2的含量越高D化学反应速率越快解析： 平衡常数K值越大，说明 NH3 越大， N2 和H2就越小， 说明反应进行的程度大，故 N2的转化率就越高， NH3的产率就越大。 ( 注：产率是指实际产生的NH3与

17、理论产生的NH3的物质的量之比) 答案： A、B(3) 合成氨反应的平衡常数很小，所以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 _ 别 离 出 来 ； 继 续 循 环 的 气 体 是_。解析： 根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其别离可使平衡正向移动，剩余 N2和 H2循环使用，以提高产率。答案： 33.42 氨N2和 H29合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 14 页的急剧增长对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料 氨 。 合 成 氨 反

18、应 是 一 个 可 逆 反 应 ： N2(g)3H2(g)2NH3(g) 。在 298 K 时：H92.2 kJ mol1，K4.1 106(molL1)2。(1) 从平衡常数来看，反应的限度已经很大，为什么还需要使用催化剂？_。解析： 对于一个实际工业生产的反应原理，既要考虑反应的限度问题，也要考虑反应的速率问题，使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率。答案： 使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率，提高单位时间内的产量(2) 试分析实际工业生产中采取700 K 左右的温度的原因：_。解析： 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

19、较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产量还是最理想的(3)298 K,1.01 105Pa，在 10 L 密闭容器中充入10 mol氮气、 30 mol氢气和20 mol氨气，开始的瞬间，反应向_( 选填“正”或“逆” )方向进行，反应进行5 min后 体 系 能 量 的 变 化 为 _( 选 填 “ 吸 收 ” 或 “ 放出”)184.4 kJ ，容器内压强变为原来的_倍。解析：依据Q(20 mol/10 L)2/(10 mol/10 L)(30 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 14 页mol/10

20、 L)3 4/27(mol L1)2K4.1 106(molL1)2，反应正向进行，放出热量，且放出热量的数值为92.2 kJmol1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) 起始量 (mol) 10 30 20 转化量 (mol) 2 6 4 5 min 时(mol) 8 24 24 故 5 min 时气体总物质的量为8242456(mol) ，容器内压强变为原来的56/60 14/15 。答案： 正放出14/15(4) 从开始至5 min 时，用 N2浓度变化表示该反应的平均速率为 _。解析：v(N2) (2 mol/10 L)/

21、5 min0.04 molL1min1答案： 0.04 mol L1min110工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为 SO3是一个关键步骤。 压强及温度对SO2转化率的影响如下表所示 (原料气各成分的体积分数为：SO27% ， O211% ， N282%)：压强 /Mpa 转化率 /% 温度/ 1 10 400 500 600 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 14 页(1) 已知 SO2的氧化是放热反应， 如何利用表中数据推断此结论？_。答案： 压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进

22、行，所以正反应为放热反应(2) 在 400500 时， SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是：_。答案： 增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加生产成本(3) 选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？_( 选填“是”或“否” )， 是否可以增大该反应所放出的热量？ _( 选填“是”或“否” )。答案： 否否(4) 为提高 SO3吸收率，实际生产中用 _吸收 SO3。答案： 浓硫酸(5) 已知： 2SO3(g) O2(g)=2SO3(g) H 196.6 kJmol1，计算每生产1 万吨 98% 硫酸所需要的SO3质量和由 SO2生产这些 SO3所放出的热量。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 14 页答案： 1 万吨 98% 的硫酸含 H2SO4的质量为 9.8 109 g ，设需要 SO3的质量为x，该反应产生的热量为y，则：H2SO4SO3H 98 g 80 g 196.60.5 kJ 9.8 109 g xyx9.8 109g80 g98 g8.0 109 g 8.0 103 t ，y8.0 103t 98.3 kJ80 g9.83109 kJ精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 14 页