2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1同步练习--第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨（含解析）

2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1
第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨
基础过关练
题组一　合成氨反应的限度、速率
1.(2021辽宁联合校月考)工业合成氨反应中,使用催化剂和施以高压,下列叙述正确的是(　　)
A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响
B.都对平衡状态有影响,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,只有加压对化学平衡状态有影响
D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而加压无此作用
2.(2021安徽六安一中开学)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,向容器中通入1 mol N2和3 mol H2,当反应达到平衡时,下列措施能提高N2转化率的是(　　)
①降低温度
②维持温度、容积不变,按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件,通入一定量惰性气体
A.①④　　B.①②　　
C.②③　　D.③④
3.(2021江西抚州临川一中期中)对于合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,达到平衡后,以下分析正确的是(　　)
A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大
4.(2021河北邢台月考)氨是重要的无机化工产品,合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0。在恒温恒容密闭容器中进行合成氨反应,各组分浓度与时间的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)表示N2浓度变化的曲线是　　　(填字母),25 min时c(NH3)=　　　　　　。
(2)0~25 min内,v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=　　　　　　　,该反应的平衡常数K=　　　(mol/L)-2。
(3)若升高温度,则平衡向　　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动;正反应速率　　　　(填“增大”“减小”或“不变”,下同),逆反应速率　　　　。
题组二　工业合成氨的适宜条件
5.(2021安徽黄山屯溪一中期中)下列说法中正确的是(　　)
A.合成氨反应选择在400~500 ℃进行的重要原因是催化剂在该温度范围内的活性较大
B.在工业生产条件优化时,只考虑经济性就行,不用考虑环保
C.工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应,在任何温度下都可自发进行
D.在合成氨反应中,为提高H2的转化率,充入的N2越多越好
6.(2022广东广州六校联考)下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是(　　)
A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率
C.步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D.产品液氨除可生产化肥外,还可用作制冷剂
7.(2021山东六校阶段性联考)下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)
A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温时可自发进行
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最高
D.N2的量越多,H2的转化率越大,因此,充入的N2越多越有利于NH3的合成
8.诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔,表彰他在固体表面化学的研究中作出的贡献。下列说法中正确的是(　　)
A.增大催化剂的表面积,能增大氨气的产率
B.增大催化剂的表面积,能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率
C.采用正向催化剂时,反应的活化能降低,使反应明显加快
D.工业生产中,合成氨采用的压强越高,温度越低,越有利于提高经济效益
9.合成氨反应在工业生产中的大量运用,满足了人口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。合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH。在298 K时:ΔH=
-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106(mol·L-1)-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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　。
(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)298 K、1.01×105 Pa下,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　　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向进行,反应进行5 min后体系能量的变化为　
　　　(填“吸收”或“放出”)184.4 kJ,容器内压强变为原来的　　　　。
(4)从反应开始至5 min时,用N2浓度变化表示该反应的平均反应速率:v(N2)=　　　　　　。
能力提升练
题组　化工生产适宜条件的选择
1.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ/mol,据此回答以下问题:
(1)①该反应的化学平衡常数表达式为　　　　　　　　　　。
②根据温度对化学平衡的影响规律可知,对于该反应,温度越高,其平衡常数越　　　。
(2)某温度下,若把10 mol N2与30 mol H2置于容积为10 L的恒容密闭容器内,反应达到平衡状态时,测得混合气体中氨的体积分数为20%,则该温度下反应的平衡常数K=　　　　　　　(可用分数表示)。能说明该反应达到化学平衡状态的是　　　　(填字母)。
a.容器内气体的密度保持不变
b.容器内压强保持不变
c.v正(N2)=2v逆(NH3)
d.混合气体中c(NH3)不变
(3)对于合成氨反应而言,下列有关图像一定正确的是　　　　(填字母)。
(4)相同温度下,有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B,两容器中均充入1 mol N2和3 mol H2,此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态,A中NH3的体积分数为a,放出热量Q1 kJ;B中NH3的体积分数为b,放出热量Q2 kJ。则:a　　　b(填“>”“=”或“<”,下同),Q1
　　　92.4。
2.(2021河南重点高中期中)人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch合成NH3法是以铁为主要催化剂、在400~500 ℃和10~30 MPa的条件下,由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反应生成17 g NH3时放出46 kJ热量,写出该反应的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)我国科学家研制出一种新型催化剂,将合成氨的温度、压强分别降到350 ℃、1 MPa,该催化剂对工业生产的意义是　　　　　　　　。
(3)在2 L恒容密闭容器中,按投料比分别为1∶1、2∶1、3∶1进行反应,相同时间内测得N2的转化率与温度、投料比的关系如图所示(不考虑催化剂失活)。
①曲线Ⅰ表示投料比=　　　　。某温度下,曲线Ⅰ对应反应达到平衡时N2的转化率为x,则此时混合气体中NH3的体积分数为　 　
　　　(用含x的代数式表示)。
②下列有关图像的分析中错误的是　　　　(填字母)。
A.投料比越大,H2的平衡转化率越大
B.TC.T>T0,投料比一定时,升高温度,平衡向左移动
D.T>T0,投料比一定时,升高温度,反应速率减小
3.(2021广东深圳实验学校阶段考)氮的氧化物是造成大气污染的主要物质,研究氮氧化物间的相互转化及脱除有重要意义。
Ⅰ.氮氧化物间的相互转化
(1)已知2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)的反应历程分两步:
第一步:2NO(g) N2O2(g)(快速平衡)
第二步:N2O2(g)+O2(g) 2NO2(g)(慢反应)
①用O2表示的速率方程为v(O2)=k1c2(NO)·c(O2);NO2表示的速率方程为v(NO2)=k2c2(NO)·c(O2),k1与k2均表示速率常数,则=　　　　。
②下列关于反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)的说法正确的是　 　
　　(填字母)。
A.使压强增大,反应速率常数一定增大
B.第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能
C.反应的总活化能等于第一步和第二步反应的活化能之和
(2)2NO2(g) N2O4(g)　ΔH<0,用分压表示的平衡常数Kp与(T为温度)的关系如图1。
图1
①能正确表示lg Kp与关系的曲线是　　　　(填“a”或“b”)。
②298 K时,在体积固定的密闭容器中充入一定量的NO2,平衡时NO2的分压为100 kPa。已知Kp=2.7×10-3 kPa-1(用平衡分压代替平衡浓度计算),则NO2的转化率为　　　　。(取整数)
Ⅱ.烟气中氮氧化物的脱除
(3)以NH3为还原剂在脱硝装置中消除烟气中的氮氧化物。
主反应:4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) 4N2(g)+6H2O(g)　ΔH1
副反应:4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)　ΔH2=-1 267.1 kJ·
mol-1
4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)　ΔH3=-907.3 kJ·mol-1
①ΔH1=　　　　　　　。
②将烟气按一定的流速通过脱硝装置,测得出口的NO的浓度与温度的关系如图2,试分析脱硝的适宜温度是　　　　(填字母)。
a.<850 ℃　
b.900~1 000 ℃　
c.>1 050 ℃
温度超过1 000 ℃,NO浓度升高的原因是　　　　　　 　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图2
答案全解全析
基础过关练
1.C 2.B 3.B 5.A 6.C 7.A 8.C
1.C　合成氨的正反应为反应前后气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,也能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间;加入催化剂,能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间,对化学平衡状态没有影响,故选C。
2.B　①合成氨反应的正反应为放热反应,降低温度,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;②维持温度、容积不变,按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2,压强增大,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;③增加NH3的物质的量,平衡逆向移动,N2的平衡转化率降低;④维持恒压条件,通入一定量惰性气体,相当于减小压强,平衡逆向移动,氮气的平衡转化率降低;故选B。
3.B　合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,说明温度对逆反应的反应速率影响较大,故A错误;合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,所以压强对正反应的反应速率影响较大,故B正确;减小反应物浓度,平衡逆向移动,正反应速率瞬间减小,对正反应的反应速率影响较大,故C错误;加入催化剂,对正、逆反应的反应速率影响相同,故D错误。
4.答案　(1)C　2.0 mol/L
(2)1∶3∶2　
(3)逆反应　增大　增大
解析　(1)根据图像可知,反应进行到20 min时曲线A代表的物质浓度减少了6.0 mol/L-3.0 mol/L=3.0 mol/L,曲线C代表的物质浓度减少了2.0 mol/L-1.0 mol/L=1.0 mol/L,根据化学方程式可知表示N2浓度变化的曲线是C,表示H2浓度变化的曲线是A,表示氨气浓度变化的曲线是B,25 min时c(NH3)=2.0 mol/L。
(2)各物质表示的反应速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,所以v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2;由图可知,该反应在20 min时达到平衡,K=== (mol/L)-2。
(3)升高温度,正、逆反应速率都增大,由于合成氨反应的正反应为放热反应,所以平衡逆向移动。
5.A　合成氨反应选择在400~500 ℃进行的重要原因是催化剂在该温度范围内的活性较大,故A正确;在工业生产条件优化时,不能只考虑经济而不考虑环保,故B错误;工业合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0,ΔH-TΔS>0时,反应不能自发进行,所以该反应不能在很高的温度下进行,故C错误;应适当提高充入氮气的比例,不是充入的N2越多越好,故D错误。
6.C　工业合成氨一般使用铁做催化剂,为防止催化剂中毒,须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,既可以增大氮气、氢气浓度,加快合成氨反应速率,又可以使平衡向生成NH3的方向移动,提高原料转化率,B项正确;合成氨反应为放热反应,步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率,同时使用催化剂也不能使平衡移动,步骤④、⑤有利于提高原料的转化率,C项错误;产品液氨可用于生产铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量的热,还可用作制冷剂,D项正确。
7.A　ΔH-TΔS<0时反应可以自发进行,该反应的ΔH<0、ΔS<0,所以在低温或常温下可自发进行,A正确;恒容条件下充入稀有气体,参与反应的各物质的浓度没有改变,则平衡不移动,对氨气的合成没有影响,B错误;合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应,高压有利于平衡向正反应方向移动,且能提高正反应速率,与催化剂的活性无关,C错误;N2的量越多,H2的转化率越大,但并不是充入的N2越多越好,D错误。
8.C　增大催化剂的表面积只能改变反应速率,不能使平衡移动,所以氨气的产率不变,A项错误;增大催化剂的表面积,能加快合成氨的正反应速率和逆反应速率,B项错误;催化剂可以降低反应的活化能,使活化分子的百分数增大,有效碰撞次数增加,从而加快反应速率,C项正确;压强过高,对设备的要求高,温度越低,催化剂的活性越低,反应速率越慢,不利于提高经济效益,D项错误。
9.答案　(1)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)在该温度下,催化剂的活性最高,反应速率较快,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)正反应　放出　
(4)0.04 mol·L-1· min-1
解析　(3)Q== (mol·L-1)-2N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始物质的量/mol　　10　　30　　20
转化物质的量/mol　　2　　6　　4
5 min时物质的量/mol　　8　　24　　24
故5 min时气体总物质的量为56 mol,容器内压强变为原来的=。(4)v(N2)==0.04 mol·L-1· min-1。
能力提升练
1.答案　(1)①K=　　②小
(2) (mol/L)-2　bd
(3)ac
(4)<　<
解析　(1)①根据化学方程式可写出该反应的化学平衡常数表达式K=;②合成氨反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,K减小。
(2)设转化的氮气的浓度为x mol/L,列三段式:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始浓度(mol/L)　　1　　 3　　 0
转化浓度(mol/L)　　x　　 3x　　 2x
平衡浓度(mol/L)　　1-x　　3-3x　　2x
反应达到平衡状态时,测得混合气体中氨的体积分数为20%,即×100%=20%,解得x=,则K==
= (mol/L)-2。容器容积不变,混合气体的质量不变,所以容器内气体的密度始终保持不变,a错误;容器容积不变,该反应为反应前后气体体积减小的反应,所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态,b正确;v正(N2)=2v逆(NH3),正、逆反应速率不相等,说明反应未达到平衡状态,c错误;混合气体中c(NH3)不变,说明各组分浓度都不变,反应达到平衡状态,d正确。
(3)先出现拐点的先达到平衡状态,则T2>T1,升高温度,平衡逆向移动,NH3的体积分数减小,a正确;平衡时各物质浓度不一定相等,b错误;使用催化剂可加快反应速率,但对平衡无影响,平衡时N2的转化率不变,c正确。
(4)容器A与容器B的初始投入量相同,容器B为恒压密闭容器,该反应为反应前后气体体积减小的反应,故随着反应的进行,容器B的体积逐渐减小,平衡时相当于对容器A加压,平衡正向移动,氨气的体积分数变大,所以a2.答案　(1)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1
(2)节能、降低生产成本(答案合理即可)
(3)①3∶1　×100%　②AD
解析　(1)17 g NH3的物质的量是=1 mol,生成1 mol NH3时放出46 kJ热量,则生成2 mol氨气放出的热量是92 kJ,所以该反应的热化学方程式是N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1。
(3)①在相同的温度下,投料比越大,氮气的转化率越高,则曲线Ⅰ表示投料比=3∶1,设H2、N2的初始物质的量分别为3 mol、1 mol,列出三段式:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始物质的量(mol)　　1　　3　　 0
转化物质的量(mol)　　x　　3x　　 2x
平衡物质的量(mol)　　1-x　3-3x　　 2x
所以混合气体中NH3的体积分数为×100%=×100%。②投料比越大,H2的平衡转化率越小,故A错误;投料比一定时,平衡之前,升高温度,化学反应速率增大,故B正确;投料比一定时,由于该反应是放热反应,所以平衡之后,升高温度,平衡逆向移动,故C正确;投料比一定时,升高温度,化学反应速率增大,故D错误。
3.答案　(1)①　②B
(2)①a　②35%
(3)①-1 626.9 kJ·mol-1　②b　温度过高,NH3容易与氧气发生反应产生NO,使NO浓度升高(或反应温度过高副反应发生程度变大,产生更多的NO,其他答案合理即可)
解析　(1)①由于v(O2)=k1c2(NO)·c(O2),v(NO2)=k2c2(NO)·c(O2),k1与k2均表示速率常数,则=,根据反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)可知,=,所以=。②反应速率常数与压强无关,增大压强,反应速率常数不变,A错误;第一步反应是快反应,第二步反应为慢反应,所以第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能,B正确;反应的总活化能由慢反应的活化能决定,则该反应的总活化能由第二步反应的活化能决定,C错误。
(2)①根据反应2NO2(g) N2O4(g)　ΔH<0可知,该反应的正反应为放热反应,升高温度,减小,平衡逆向移动;Kp减小,增大,平衡正向移动,Kp增大,所以表示lg Kp与关系的曲线是a。②假设起始NO2的物质的量为1 mol,转化率为x,列出三段式:
2NO2(g) N2O4(g)
n(起始)/mol　　1　　 0
n(转化)/mol　　x　　 0.5x
n(平衡)/mol　　1-x　　0.5x
同温同体积下,气体的压强之比等于物质的量之比,则p(NO2)∶p(N2O4)=(1-x)∶0.5x=100∶p(N2O4),则p(N2O4)= kPa,因此,Kp= kPa-1=2.7×10-3 kPa-1,解得x≈0.35,所以NO2的平衡转化率为35%。
(3)①已知:ⅰ.4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) 4N2(g)+6H2O(g)　ΔH1
ⅱ.4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)　ΔH2=-1 267.1 kJ·mol-1
ⅲ.4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)　ΔH3=-907.3 kJ·mol-1
根据盖斯定律,将ⅱ×2-ⅰ可得4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g),则ΔH3=2ΔH2-ΔH1,即2×(-1 267.1 kJ·mol-1)-ΔH1=-907.3 kJ·
mol-1,解得ΔH1=-1 626.9 kJ·mol-1。②根据图2可知,在温度为900~
1 000 ℃时,出口的NO的残留浓度小,故选b。
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