2025人教版高中化学选择性必修1同步--分层作业11　化学反应的调控（含解析）

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2025人教版高中化学选择性必修1
分层作业11　化学反应的调控
A级 必备知识基础练
题组1.工业合成氨及适宜条件的选择
1.合成氨工业中采用循环操作,主要原因是(　　)
A.降低氨的沸点
B.提高氮气和氢气的利用率
C.增大化学反应速率
D.提高平衡混合物中氨的含量
2.(2024·浙江台州八校联考)下列关于工业合成氨的说法正确的是(　　)
A.工业合成氨采用10 MPa~30 MPa的压强,是因为该条件下催化剂的活性最好
B.选择不同的催化剂会改变此反应ΔH的数值
C.合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率
D.合成氨工业中增大N2的浓度,可提高H2的转化率
3.工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,其反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。在不同温度、压强下,平衡混合物中氨的含量如下表所示。下列有关说法错误的是(　　)
氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
A.最早工业化生产氨的原理为N2+CaC2+3H2O===2NH3↑+CaCO3+C,但是成本过高,无法大规模生产
B.为了防止催化剂中毒,合成氨的原料气必须经过净化处理
C.该反应的ΔH<0,ΔS<0,在高温下一定能自发进行
D.增大压强,平衡正向移动,符合勒夏特列原理
题组2.工业生产中适宜条件的选择
4.“碳储科学”主要研究方向涉及CO2的捕获、转化等领域。高浓度的K2CO3溶液可作为CO2的捕获剂,为了更好地捕获CO2,控制压强合理的是(　　)
A.常压 B.高于常压
C.低于常压 D.无法确定
5.(2024·山西太原检测)CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一。相关的主要反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH>0。下列条件有利于提高CO2平衡转化率的是(　　)
A.低温低压 B.低温高压
C.高温低压 D.高温高压
6.(2024·陕西西安检测)金属钛具有良好的耐高低温、抗酸碱、高强度和低密度等优良特性,广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。TiCl4的一种制备方法为TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g)　ΔH=-51 kJ·mol-1。下列说法正确的是(　　)
A.正反应只有在高温下才能自发进行
B.恒温恒容条件下,混合气体的密度保持不变能说明该反应达到平衡状态
C.该反应在工业生产中的适宜条件是低温、低压
D.恒温恒容条件下,向平衡体系中再加入少量CO(g),TiCl4(g)的体积分数将增大
7.丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。
已知:①C4H10(g)+O2(g) ===C4H8(g)+H2O(g)　ΔH1=-119 kJ·mol-1
②H2(g)+O2(g) ===H2O(g)　ΔH2=-242 kJ·mol-1
丁烷(C4H10)脱氢制丁烯(C4H8)的热化学方程式为C4H10(g)C4H8(g)+H2(g)　ΔH3。
下列措施一定能提高该反应中丁烯平衡产率的是(　　)
A.增大压强,升高温度
B.升高温度,减小压强
C.降低温度,增大压强
D.减小压强,降低温度
B级 关键能力提升练
8.硫酸工业中生产SO3的反应为2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-196.6 kJ·mol-1。
平衡时SO2的转化率
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
400 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
根据反应原理和上表中数据分析下列叙述错误的是(　　)
A.实际生产中可以通过通入过量的空气来提高SO2的转化率
B.常压下SO2的转化率已经比较大,所以实际生产中没必要增大成本采用高压
C.生产中采用温度400~500 ℃主要是考虑催化剂的活性温度从而提高反应物的转化率
D.尾气中的SO2必须回收循环利用防止污染环境并提高原料的利用率
9.燃煤电厂锅炉尾气中含有氮氧化物(主要成分NO),可通过反应:4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) ===4N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1 627.7 kJ·mol-1,进行尾气处理。在恒压、反应物起始物质的量之比一定的条件下,反应相同时间,NO的转化率在不同催化剂作用下随温度变化的曲线如图所示。下列说法一定正确的是(　　)
A.升高温度、增大压强均可提高反应中NO的平衡转化率
B.综合考虑,催化剂B的性能优于催化剂A
C.图中X点所示条件下,反应时间足够长,NO的转化率能达到Y点的值
D.图中Z点到W点NO的转化率降低的原因是平衡逆向移动
10.反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生,其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中,反应Ⅲ发生在氧化塔中,不同温度下各反应的化学平衡常数如下表所示。下列说法正确的是(　　)
化学平衡常数
反应Ⅰ:4NH3+5O24NO+6H2O 反应Ⅱ:4NH3+3O22N2+6H2O 反应Ⅲ:2NO+O22NO2
500 1.1×1026 7.1×1034 1.3×102
700 2.1×1019 2.6×1025 1.0
A.氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度
B.通过改变氧化炉的温度或压强都可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C.温度为500 K时,反应Ⅰ平衡常数表达式为K=
D.使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量
11.(2024·广东清远名校联考)向恒容密闭容器中充入物质的量之比为1∶1的CO和H2,进行反应:CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g),测得不同压强下H2的平衡转化率随温度的变化情况如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.该反应的ΔH<0
B.M、N点时均表示平衡状态,故M、N点时的正反应速率一定相等
C.降低温度,H2的转化率可达到100%
D.工业上用此法制取甲烷应采用更高的压强
12.工业上用CO2和H2合成甲醇涉及以下反应:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2
在催化剂作用下,将1 mol CO2和2 mol H2的混合气体充入一恒容密闭容器中进行反应,达到平衡时,CO2的转化率和容器中混合气体的平均相对分子质量随温度变化如图。下列判断合理的是(　　)
已知:平衡时甲醇的选择性为生成甲醇消耗的CO2在CO2总消耗量中的占比。
A.ΔH1<0,ΔH2<0
B.250 ℃前以反应Ⅱ为主
C.T ℃时,平衡时甲醇的选择性为60%
D.为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时甲醇的选择性,应选择的反应条件为高温、高压
C级 学科素养拔高练
13.近年来我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究,实现可持续发展。
(1)已知:①CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
ΔH1=+41.1 kJ·mol-1　K1
②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　
ΔH2=-90.0 kJ·mol-1　K2
写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;用K1、K2表示此反应的化学平衡常数K=　 。
(2)为提高CH3OH(g)的产率,理论上应采用的条件是　　　　　(填字母)。
a.高温高压 b.低温低压
c.高温低压 d.低温高压
(3)250 ℃时,在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g),如图为不同投料比[]时某反应物X的平衡转化率的变化曲线。反应物X是　　　　　(填“CO2”或“H2”)。
(4)250 ℃时,在容积为2.0 L的恒容密闭容器中加入6 mol H2、2 mol CO2和催化剂,10 min后反应达到平衡,测得c(CH3OH)=0.75 mol·L-1。
①前10 min内H2的平均反应速率v(H2)=　　　　　 mol·L-1·min-1。
②化学平衡常数K=　　　　　。
③下列描述中能说明上述反应已达平衡的是　　　　　(填字母)。
a.3v正(H2)=v逆(CH3OH)
b.容器中气体压强不随时间而变化
c.c(H2)∶c(CO2)=1∶1
d.容器中气体平均相对分子质量不随时间而变化
④催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间,四组实验数据如下:
实验 编号 催化剂 CO2的转 化率/% 甲醇的 选择性/%
A 543 Cu/ZnO纳米棒 12.3 42.3
B 543 Cu/ZnO纳米片 11.9 72.7
C 553 Cu/ZnO纳米棒 15.3 39.1
D 553 Cu/ZnO纳米片 12.0 70.6
根据上表所给数据,用CO2生产甲醇的最优条件为　　　　　(填实验编号)。
分层作业11　化学反应的调控
1.B　解析 一定温度和压强条件下,氨的沸点是固定的,不会因为循环操作而改变,A错误;合成氨工业采用循环操作,主要是为了提高氮气和氢气的浓度,使反应平衡正向移动,从而可提高氮气和氢气的利用率,提高经济效益和产率,B正确,C错误;合成氨工业采用循环操作的主要目的是提高反应物N2、H2的利用率,不会提高平衡体系中氨的含量,D错误。
2.D　解析 合成氨工业采用10 MPa~30 MPa,使反应速率快,且有利于提高平衡混合物中氨的含量,A错误;催化剂能改变化学反应速率,不能改变反应ΔH的数值,B错误;合成氨反应若采用低温可提高平衡转化率,但温度降低会使化学反应速率减小,达到平衡所用时间变长,在实际生产中采用的温度为400~500 ℃,C错误;增大一种反应物的浓度,可提高其他反应物的转化率,D正确。
3.C　解析 早期生成氨需要CaC2,其价格相对较高,且反应剧烈,不适宜大规模生产,A正确;使用催化剂时要防止其中毒而失去催化活性,B正确;该反应的ΔH<0,ΔS<0,若自发进行要满足该反应的ΔH-TΔS<0,故高温下该反应不能自发进行,C错误;增大压强,合成氨反应正向进行,可提高平衡混合气中氨的含量,符合勒夏特列原理,D正确。
4.B　解析 反应K2CO3(aq)+CO2(g)+H2O(g)2KHCO3(aq)正向为气体体积缩小的反应,适当加压可增大CO2在K2CO3溶液中的溶解度,有利于平衡正向移动,便于吸收CO2。
5.C　解析 该反应的正反应是气体总体积增大的吸热反应,升高温度、减小压强,均有利于平衡正向移动,可提高CO2的平衡转化率。
6.B　解析 正反应的ΔH<0、ΔS>0,任意温度下均能自发进行,A错误;反应过程中混合气体总质量不断变化,恒容条件下,混合气体总体积始终不变,当混合气体的密度保持不变时,说明该反应达到平衡状态,B正确;低温、低压条件下反应速率慢,实际生产中不具有经济效益,C错误;向平衡体系中再加入少量CO(g),平衡逆向移动,TiCl4(g)的体积分数将减小,D错误。
7.B　解析 根据盖斯定律,由①-②可得:C4H10(g)C4H8(g)+H2(g),则ΔH3=ΔH1-ΔH2=(-119 kJ·mol-1)-(-242 kJ·mol-1)=+123 kJ·mol-1。要提高该反应中丁烯的平衡产率,应使平衡正向移动,可采取的措施是减小压强、升高温度。
8.C　解析 空气的成本较低,在实际生产中,通入过量的空气,反应物浓度增大,反应速率加快,平衡正向移动,同时可提高成本较高的二氧化硫的转化率,A正确;由表格数据可知,在常压及400~500 ℃时,二氧化硫的转化率已经很高,继续增大压强,虽然二氧化硫的平衡转化率会提高,但不明显,且会增加设备成本,增大投资和能量消耗,B正确;生成SO3的反应为放热反应,从理论上分析,温度越低越有利于平衡正向移动,但温度过低反应速率太小,且影响催化剂的催化活性,故工业上选择温度400~500 ℃,主要原因是考虑催化剂的活性最佳,C错误;尾气中的SO2必须回收循环利用,防止污染环境并提高原料的利用率,D正确。
9.C　解析 正反应是放热反应,升高温度平衡左移,反应中NO的平衡转化率降低,A错误;在温度比较低条件下催化剂A的催化活性更强,催化剂A的性能优于催化剂B,B错误;催化剂A的性能优于催化剂B,相同时间内Y点NO转化率大,但催化剂不会使平衡移动,X和Y的温度相同,最终平衡状态一致,所以反应时间足够长,NO的转化率能达到Y点的值,C正确;图中Z点到W点NO的转化率降低是因为温度过高降低了催化剂的活性,D错误。
10.D　解析 氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度,提高氨气的转化率,A错误;升高温度,反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数均减小,则正反应均为放热反应,无法通过改变氧化炉的温度促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ,反应Ⅰ和反应Ⅱ正反应均为气体体积增大的反应,无法通过改变氧化炉的压强促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ,B错误;温度为500 K时,水为气态,反应Ⅰ的平衡常数表达式为K=,C错误;使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ,增大氧化炉中NO的含量,D正确。
11.A　解析 由图可知,压强一定时,随着温度的升高,H2的平衡转化率降低,说明平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,A正确;M、N点时的压强、温度不同,达到的平衡状态也不同,无法比较M、N点时正反应速率的大小,B错误;此反应是可逆反应,反应物不能完全转化为生成物,降低温度,H2的转化率不可能达到100%,C错误;控制合适的温度和压强,既能使反应速率较快,也能使反应物有较高的转化率,采用更高的压强对设备的要求更高,增加经济成本,且400~600 K、1.01×106 Pa时,H2的平衡转化率已经较高,D错误。
12.C　解析 根据反应方程式、平衡时CO2的转化率及平均相对分子质量的变化趋势可知,反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,A错误;当温度高于250 ℃,CO2的转化率随温度的升高而增大,则250 ℃以后以反应Ⅱ为主,B错误;T ℃时,CO2的转化率为50%,平均相对分子质量为20,混合气体总物质的量为 mol=2.4 mol则CO2为0.5 mol,设甲醇为x mol,CO为y mol,x+y=0.5,n(H2)=2 mol-(3x+y) mol,n(H2O)=(x+y) mol,n(CH3OH)+n(CO)+n(CO2)+n(H2)+n(H2O)=2.4 mol,解得n(CH3OH)=0.3 mol,n(CO)=0.2 mol,甲醇的选择性为×100%=60%,C正确;反应Ⅰ为放热反应,升高温度,CO2的平衡转化率降低,D错误。
13.答案 (1)3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.9 kJ·mol-1　K1·K2
(2)d　(3)CO2
(4)①0.225　②　③bd　④B
解析 (1)根据盖斯定律,由①+②可得3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=(41.1-90.0) kJ·mol-1=-48.9 kJ·mol-1,用K1、K2表示此反应的化学平衡常数,则K=K1·K2。
(2)根据平衡移动规律可知,低温、高压有利于提高CH3OH的产率,d正确。
(3)X平衡转化率随着的增大而增大,根据勒夏特列原理,增大一种反应物的量,可以提高另一种反应物的转化率,则X为CO2。
(4)①列出“三段式”分析:
　　　　3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始/c(mol·L-1) 3 1 0 0
转化/c(mol·L-1) 2.25 0.75 0.75 0.75
平衡/c(mol·L-1) 0.75 0.25 0.75 0.75
则有v(H2)==0.225 mol·L-1·min-1;
②化学平衡常数为K=;
③3v正(H2)=v逆(CH3OH),不能说明正反应速率等于逆反应速率,不能说明反应达到平衡,a错误;正反应是气体体积减小的反应,反应过程中压强不断减小,当容器中气体压强不随时间而变化时,说明该反应达到平衡,b正确;c(H2)∶c(CO2)=1∶1,不能说明正反应速率等于逆反应速率,不能说明反应达到平衡,c错误;正反应是气体体积减小的反应,气体总质量不变,当容器中气体平均相对分子质量不随时间而变化时,说明反应达到平衡,d正确。
④分别对比AB、CD实验可知,Cu/ZnO纳米片催化剂对应甲醇的选择性高,对比BD可知,温度升高时CO2的转化率升高,但甲醇的选择性降低,则CO2生产甲醇的最优条件为B。
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