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1.反应原理
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·mol-1·K-1。(298 K)
2.反应特点
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
知识点 1 合成氨反应的限度
必备知识 清单破
3.影响因素
(1)外界条件:降低温度、增大压强,有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
(2)投料比:从化学平衡的角度分析,N2、H2的体积比为1∶3时平衡转化率最高。
1.增大合成氨反应速率的方法
2.浓度与合成氨反应速率之间的关系
在特定条件下,合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·
c-1(NH3),由速率方程可知:增大N2或H2的浓度,在反应达到一定的转化率时减小NH3的浓度,
都有利于增大合成氨反应的速率。
知识点 2 合成氨反应的速率
1.合成氨反应适宜条件分析
工业生产中,主要从反应限度和反应速率两个角度选择适宜条件,既要考虑增大反应物
的转化率,充分利用原料,又要考虑增大反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备
的要求和技术条件。
2.实际生产中合成氨的适宜条件
知识点 3 合成氨生产的适宜条件
工业合成氨适宜条件的选择
温度 控制在700 K左右
压强 根据反应器可使用钢材的质量及综合指标来选择(1×107~1×108 Pa)
浓度 N2、H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比,并适时地将氨从反应后的混合气体中分离出去,同时补充N2、H2
催化剂 铁触媒等
1.合成氨反应中,N2的量越多,H2的转化率越大,因此,充入较多的N2有利于NH3的合成。这种
说法正确吗 ( )
N2的量越多,H2的转化率越大,但加入过多的N2,未反应的N2会带走较多的热量,反而
不利于氨气的合成,在实际生产中当投料比为n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时更有利于NH3的合成。
2.从合成塔出来的混合气体,其中氨气只占13%~14%,所以生产氨的工厂效率都很低。这种
说法正确吗 ( )
虽然从合成塔出来的混合气体中氨气只占13%~14%,但由于氮气、氢气是循环使
用的,总体来讲氨的产率比较高。
3.在合成氨工业中,增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在实际生产过程中,
压强越大越好。这种说法正确吗 ( )
温度一定时,增大混合气体的压强,既可提高反应速率,又可提高氨的产率,但压强越
大需要的动力越大,对设备的要求越高,一般采用1×107~1×108Pa,不采用更高压强。
知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ” 。
提示
提示
提示
1.基本原则——多、快、好、省
(1)多:生成的产品尽量多,化学平衡尽量正向移动。
(2)快:按确定的目标方向,反应速率要快。
(3)好:反应原理合理,反应途径最优。
(4)省:原料利用率高,省料省时省能源。
关键能力 定点破
定点 工业上适宜生产条件的选择
有利于加快反应 速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、及时地分离出生成物 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 使用合适的催化剂 — 使用合适的催化剂
温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾化学反应速率和平衡转化率,考虑催化剂的活性
ΔH>0 高温 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性
温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾化学反应速率和平衡转化率,考虑催化剂的活性
ΔH>0 高温 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性
2.条件分析
说明:ΔVg=化学方程式中气态产物化学计量数之和-气态反应物化学计量数之和。
素养 变化观念与平衡思想——化学反应的调控
二氧化碳催化加氢制甲醇,有利于减少温室气体CO2。合成甲醇的总反应为CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1。(情境选自2021年全国甲卷28题)
问题1 为提高平衡体系中CH3OH的产率,可采取哪些措施
增大压强、降低温度、增大CO2或H2的浓度、及时分离出CH3OH等均可促使平衡正向移动,
有利于提高CH3OH的产率。
学科素养 情境破
情境探究
问题2 二氧化碳与氢气制甲醇过程中需要加入催化剂,其他条件不变时,催化剂是如何影响化
学反应的
其他条件不变时,使用催化剂一般能加快化学反应速率;对于可逆反应,催化剂可以同等程度地
加快正、逆反应速率。这是因为使用催化剂后,降低了反应的活化能,增大了活化分子百分数,
有效碰撞次数增加。催化剂能改变化学反应历程,降低反应的活化能,进而影响化学反应。
问题3 合成甲醇的反应中反应物的初始量n(H2)/n(CO2)=3时,在不同条件下达到平衡,设体系
中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在T=250 ℃下的x(CH3OH)~p、在p=5×105 Pa下的x(CH3
OH)~T如图所示。
当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率为多少 图中哪个曲线表示等压过程,请说明判断的理由。
设起始n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,反应的CO2的物质的量为y mol,列出“三段式”:
CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
起始(mol) 1 3 0 0
转化(mol) y 3y y y
平衡(mol) 1-y 3-3y y y
当x(CH3OH)=0.10时,即 =0.1,解得y= ,故平衡时α(CO2)= ×100%≈33.3%。该反应的正反应为放热反应,升高温度时平衡逆向移动,体系中x(CH3OH)减小,因此图中表示等
压过程的曲线是b。
讲解分析
化工生产条件选择的分析角度
1.从反应原理分析:反应原理要合理正确,还要考虑反应条件是否容易满足、反应是否污染环
境等。
2.从化学反应速率分析:既不能过快,使反应不可控,又不能太慢,使生产效率很低。
3.从化学平衡移动分析:既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性,又要注意二
者影响的矛盾性。
4.从实际生产能力分析:如设备承受高温、高压的能力等。
5.从催化剂的选择及催化剂活性对温度的要求分析:
(1)催化剂与活化能:催化剂能降低活化能,活化能越低,反应速率越快。
(2)催化剂的活性:绝大多数催化剂都有活性温度范围,温度太低,催化剂活性低,反应速率慢;
温度太高,催化剂易失活。
(3)催化剂的选择性:合适的催化剂能有效提高主产物在产物中的比例,减少副反应的发生。
典例呈现
例题 工业常采用氨氧化法制硝酸,主要工艺流程如图所示。将氨和空气混合通入氧化炉,发
生反应为4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) ΔH<0,生成的NO利用反应后残余的O2继续
被氧化为NO2:2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) ΔH=-116.4 kJ·mol-1,随后将NO2通入吸收塔制取硝
酸。吸收塔排放的尾气中含有少量NO、NO2等氮氧化物。工业以石灰乳为试剂,采用气—
液逆流接触法(尾气从处理设备的底部进入,石灰乳从设备顶部喷淋)处理尾气。下列有关工
业制备硝酸的说法不正确的是 ( )
B
A.合成塔中使用催化剂,可以提高单位时间内H2的转化率
B.升高温度可以提高氧化炉中NH3的平衡转化率
C.吸收塔中鼓入过量的空气可以提高硝酸的产率
D.采用气—液逆流接触法是为了使尾气中的氮氧化物吸收更充分
素养解读： 本题以硝酸的工业制备流程工艺为情境载体,考查了物质转化、化学反应的调控
等相关知识,体现了变化观念与平衡思想的化学学科核心素养。
信息提取：解答本题的关键是读明白题中信息和工艺流程图。为了提高原料的利用率,氨分
离后的气体应循环利用;NH3经催化氧化生成NO,NO与O2继续反应生成NO2,然后用水吸收
NO2得到HNO3,尾气(NO、NO2等)用石灰乳吸收,利于环境保护。在实际化工生产中要尽可
能提高原料的利用率,可采用原料气体循环的操作;又要利于环境保护,可对尾气循环处理或
用化学试剂吸收;生产中还要综合考虑化学反应的调控等。
解题思路：催化剂可加快化学反应速率,提高单位时间内H2的转化率,A正确;氧化炉中氨催
化氧化为NO的反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,会降低NH3的平衡转化率,B错误;吸
收塔中鼓入过量空气,有利于NO、NO2转化为HNO3,提高硝酸的产率,C正确;采用气—液逆流
接触法可增大氮氧化物与石灰乳的接触面积,利于氮氧化物的充分吸收,D正确。
思维升华
化学反应的调控是化学平衡相关知识在化工生产中的实际应用,利用所学理论知识,结
合生产能力,选择最佳的反应条件,以达到经济效益和社会效益的共赢。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 合成氨条件的选择
1.合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理,目的是除去其中的CO,其反应为[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq) ΔH<0。以下说法错误的是 ( )
A.原料气中H2的体积分数越大,平衡混合物中NH3的体积分数也越大
B.杂质有可能引发催化剂中毒
C.工业合成氨中使用催化剂,可降低反应的活化能,提高生产效率
D.铜氨液再生的适宜条件是高温低压
2.合成氨工业中,在催化剂作用下发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0。下列说法正确的是 ( )
A.该反应中断裂反应物化学键吸收的总能量大于形成生成物中化学键放出的总能量
B.实际生产中通常选择700 K、100 MPa条件下合成氨
C.采取迅速冷却的方法,使气态氨变为液氨后及时从平衡混合物中分离出去,可提高氨的产量
D.增大催化剂的比表面积,可有效加快反应速率和提高平衡转化率
3.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
4.氨的工业化生产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。合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH。在298 K时:该反应的ΔH=-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106 L2·mol-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合成氨选择400~500 ℃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,容器内压强与原来的压强之比为 。
(4)从开始至5 min时,用N2浓度变化表示该反应的平均速率:v(N2)= 。
题组二 化学反应的调控
5.据报道,在300 ℃、70 MPa下由CO2和H2合成乙醇已成为现实:
2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g),下列叙述错误的是 ( )
A.使用催化剂可提高生产效率
B.反应需在300 ℃下进行,可推测该反应是吸热反应
C.充入过量CO2气体可提高H2的平衡转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
6.某化工厂生产硝酸的流程如图1所示;其他条件相同时,装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图2所示。下列说法不正确的是 ( )
A.该流程中,①③④发生了氧化还原反应
B.②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离
C.③中最佳反应条件是铂网成分为纯铂、温度为900 ℃
D.④中通入过量空气可以提高硝酸的产率
7.(经典题)在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化为SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ/mol。下表列出了恒容容器中,在不同温度和压强下,反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 ( )
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A.在达到平衡时充入He增大压强,不能增大SO2的转化率
B.为了增大SO2的转化率,可以控制SO2与O2的投料比小于2
C.应选择的适宜生产条件是450 ℃,10 MPa
D.在实际生产中,选定的温度为400~500 ℃,主要原因是考虑催化剂的活性最佳
8.纳米钴常用作CO加氢反应的催化剂:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH<0。下列说法正确的是 ( )
A.纳米技术的应用,优化了催化剂的性能,提高了反应的转化率
B.缩小容器体积,平衡向正反应方向移动,CO的浓度增大
C.从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率
D.工业生产中采用高温条件下进行,其目的是提高CO的平衡转化率
9.工业上主要采用氨氧化法生产硝酸,如图是氨氧化率与氨—空气混合气中氧氨比的关系。其中直线表示反应的理论值,曲线表示生产实际情况。当氨氧化率达到100%时,理论上r== ,实际生产要将r值维持在1.7~2.2之间,原因是 。
能力提升练
题组一 工业合成氨条件的选择与分析
1.工业合成氨反应包含多个基元反应,其反应机理如图所示,已知各物种在催化剂表面吸附放出能量。下列说法错误的是 ( )
A.从充入反应物到A处,表示N2、H2在催化剂表面吸附放热
B.B→C决定了总反应的速率
C.工业合成氨温度为700 K左右,原因之一是催化剂在此温度下活性较高
D.提高催化剂的活性能减小反应热
2.合成氨的化学反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·
mol-1。吉林大学与韩国、加拿大科研人员合作研究,提出基于机械化学(“暴力”干扰使铁活化)在温和条件下由氮气合成氨的新方案(过程如图所示),利用这种方案所得氨的体积分数最终可高达82.5%。下列有关分析错误的是 ( )
A.铁是该合成氨反应的催化剂
B.采用该方案生产氨气,活化能不变
C.采用该方案生产氨气,ΔH不变
D.该方案所得氨的含量高,与反应温度较低有关
题组二 工业情境中适宜生产条件的选择
3.二十世纪初,工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素[CO(NH2)2]。反应均可逆且分两步进行:①CO2和NH3生成NH2COONH4;②NH2COONH4分解生成尿素。反应过程的能量变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.升高温度,可分离得到更多的NH2COONH4
B.投入一定量的CO2和NH3,随着反应的进行,NH2COONH4的量会持续增大
C.增大,一定能增大CO2的平衡转化率
D.合成尿素的反应:CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E4
4.在一定的温度和压强下,将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性(CH4选择性=×100%)随温度的变化如图所示。下列有关说法正确的是 ( )
A.在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的产率不变
B.延长W点的反应时间,一定能提高CO2的转化率
C.反应CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)在任何温度下均不能自发进行
D.选择合适的催化剂有利于提高CH4的选择性
5.(教材深研拓展)合成氨的发展体现了化学科学与技术的不断进步。
(1)1898年,化学家用氮气、碳化钙(CaC2)与水蒸气反应制备氨:
ⅰ.碳化钙和氮气在1 000 ℃的高温下产生氰氨化钙(CaCN2);
ⅱ.氰氨化钙与水蒸气反应生成氨气。
写出反应ⅱ的化学方程式: 。
(2)20世纪初,实现了以N2和H2为原料直接合成氨。其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。
①N2的化学性质稳定,即使在高温、高压下,N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。从分子结构角度解释原因: (已知:一般键能越大,物质的稳定性越强)。
②压强对合成氨有较大影响。如图为不同压强下,以物质的量分数x(H2)=0.75、x(N2)=0.25进料(组成1),反应达平衡时,x(NH3)与温度的计算结果。
ⅰ.判断压强:p1 p2(填“>”或“<”),简述理由: 。
ⅱ.在p1、x(NH3)=0.20时,氮气的转化率为 。
ⅲ.合成氨原料气中存在不参与反应的Ar时会影响NH3的平衡含量。在p1时,以物质的量分数x(H2)=0.675、x(N2)=0.225、x(Ar)=0.10进料(组成2),反应达平衡时x(NH3)与温度的计算结果与组成1相比有一定变化,在上图中用虚线画出相应曲线。
(3)我国科学家研制出Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,纳米Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃,)解决了温度对合成氨工业反应速率和平衡转化率影响矛盾的问题,其催化合成氨机理如图所示。
分析解释:与传统的催化合成氨(铁触媒、400~500 ℃)相比,Fe-TiO2-xHy双催化剂双温催化合成氨具备优势的原因是 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.C 3.C 5.B 6.C 7.C 8.B
1.A 不是原料气中H2的体积分数越大,平衡混合物中NH3的体积分数越大,A错误;CO可能会引发催化剂中毒,导致催化剂活性下降,B正确;使用催化剂可降低反应的活化能,加快反应速率,从而提高生产效率,C正确;根据题给热化学方程式可知,要使铜氨液再生,需使平衡向逆反应方向移动,升高温度或减压均可使平衡逆向移动,D正确。
2.C 合成氨反应为放热反应,则该反应中断裂反应物化学键吸收的总能量小于形成生成物中化学键放出的总能量,A错误;通常合成氨的工业生产中不选用100 MPa,因为氨的含量在此条件下升高并不明显,且对设备质量要求较高,生产成本较高,B错误;NH3易液化,实际生产中,采取迅速冷却的方法,使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去,从平衡角度考虑,平衡向正反应方向移动,从而可提高氨的产量,C正确;增大催化剂的比表面积,可有效加快反应速率,但不会影响平衡,即不能提高平衡转化率,D错误。
3.C 工业合成氨一般使用铁触媒做催化剂,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的平衡转化率,同时使用催化剂也不能使平衡移动,步骤④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。
4.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)在该温度范围内,催化剂的活性较高,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= L2·mol-2
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 10 30 20
转化/mol 2 6 4
5 min时/mol 8 24 24
故5 min时气体总物质的量为56 mol,容器内压强与原来的压强之比为。(4)v(N2)==0.04 mol·L-1·min-1。
5.B 使用催化剂可加快化学反应速率,从而提高生产效率,A正确;加热可以加快化学反应速率,放热反应也可能在加热条件下进行,B错误;充入过量CO2气体,可提高H2的平衡转化率,C正确;从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH(g)和H2O(g),有利于平衡正向移动,可提高CO2和H2的利用率,D正确。
6.C 该流程中,①中发生合成氨的反应、③中发生氨的催化氧化反应、④氮的氧化物与水反应生成HNO3,因此均发生了氧化还原反应,A正确;②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离,B正确;③中最佳反应条件是铂网成分为含10%铑的铂、温度为900 ℃,C错误;④中通入过量空气,可使氮的氧化物充分反应,可以提高硝酸的产率,D正确。
7.C 反应容器为恒容容器,充入与反应无关的气体,反应体系中各气体浓度不变,SO2转化率不变,A正确;控制SO2和O2的投料比小于2,相当于增大O2浓度,可增大SO2的转化率,B正确;由表格数据可知,相同压强下,450 ℃时SO2的转化率比500 ℃时的高,10 MPa时的转化率比0.1 MPa时的转化率增大的不明显,但对设备要求却很高,C错误;温度在400~500 ℃时,催化剂的活性最佳,D正确。
8.B 纳米技术优化了催化剂的性能,提高了化学反应速率,但不能使平衡发生移动,因此物质的转化率不变,A错误;正反应是气体物质的量减小的反应,缩小容器的体积,导致体系的压强增大,化学平衡正向移动,但根据勒·夏特列原理可知平衡移动只能减弱这种改变而不能抵消,所以缩小容器的体积,CO的浓度增大,B正确;从平衡体系中分离出H2O(g),正反应速率会逐渐减小,C错误;该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,反应物转化率会降低,D错误。
9.答案 1.25 O2太少不利于NH3的转化,r值为1.7~2.2之间时NH3氧化率已接近100%
解析 由NH3催化氧化的化学方程式:4NH3+5O2 4NO+6H2O可知,氨氧化率达到100%,理论上r==1.25;由题图可知,实际生产要将r值维持在1.7~2.2之间,原因是O2太少不利于NH3的转化,r值为1.7~2.2之间时NH3氧化率已接近100%。
能力提升练
1.D 2.B 3.C 4.D
1.D 从充入反应物到A处,能量降低,表示N2、H2在催化剂表面吸附放热,A正确;决定总反应速率的是慢反应,活化能越大反应越慢,据图可知,B→C的活化能最大,决定了总反应的速率,B正确;工业合成氨温度为700 K左右,一个重要原因是催化剂在此温度下活性较高,可提高催化效率,C正确;催化剂改变反应速率,但是不能改变反应热,D错误。
2.B 由题图可以看出Fe是合成氨反应的催化剂,A正确;使用催化剂能改变反应历程,降低活化能,但不能改变反应的ΔH,B错误,C正确;合成氨反应是放热反应,较低的反应温度有利于提高NH3产率,D正确。
3.C 反应①放热、反应②吸热,升高温度,反应①逆向移动、反应②正向移动,不能得到更多的NH2COONH4,A错误;活化能越大,化学反应速率越慢,反应①活化能小,反应①的化学反应速率快,投入一定量的CO2和NH3,随反应进行,NH2COONH4的量先增大后减小,B错误;增大,能增大CO2的平衡转化率,C正确;①涉及反应为CO2(l)+2NH3(l) NH2COONH4(l) ΔH=E1-E2,②涉及反应为NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E3-E4,联立两式得CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E2+E3-E4,D错误。
4.D 在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,由题图可知,升高温度甲烷的选择性基本不变,但二氧化碳的转化率升高,则甲烷的产率增大,A错误;W点可能为平衡点,延长反应时间二氧化碳转化率可能不变,B错误;由盖斯定律可得:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH=-206 kJ·mol-1,ΔH<0、ΔS<0,低温时该反应可自发进行,C错误;选择合适的催化剂有利于提高CH4的选择性,D正确。
5.答案 (1)CaCN2+3H2O(g) CaCO3+2NH3
(2)①N2中含氮氮三键(),键能大,难断裂 ②ⅰ.< 合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应,相同温度下,增大压强,平衡正向移动,氨的物质的量分数增大 ⅱ.
ⅲ.
(3)在“热Fe”表面易断裂,有利于提高合成氨反应的化学反应速率;“冷TiO2-xHy”低于体系温度,在“冷TiO2-xHy”表面生成氨气,有利于提高氨的平衡产率
解析 (1)氰氨化钙与水蒸气反应生成氨气和碳酸钙。
(2)①N2中含氮氮三键(),键能大,难断裂,因此即使在高温、高压下,N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢;②ⅰ.合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应,相同温度下,增大压强,平衡正向移动,氨的物质的量分数增大,所以p1 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始量(mol) 1 3 0
变化量(mol) x 3x 2x
平衡量(mol) 1-x 3-3x 2x
在p1、x(NH3)=0.20时,x(NH3)==0.20,解得x=。
ⅲ.在相同温度和相同压强下,充入惰性气体Ar,参与反应的各组分的浓度减小,化学平衡要向着气体分子数增大的方向移动,即逆向移动,平衡时氨的物质的量分数减小。
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