2026鲁科版高中化学选择性必修1基础题--第2章　第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨

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2026鲁科版高中化学选择性必修1
第2章　化学反应的方向、限度与速率
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.(2025湖南湖湘教育三新探索协作体期中)在500 ℃、60.0 MPa条件下合成氨,原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.移走NH3可增大正反应速率,提高原料转化率
B.按a点的投料比进行反应,当N2的体积分数不变时达到平衡状态
C.b点的平衡体系中,H2的体积分数约为36%
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
2.合成氨的化学反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.2 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
3.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,开始时反应向　　　(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
4.(2025辽宁沈阳期中)工业合成甲醇的原理为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0,其工艺流程如图所示。下列叙述正确的是 (　　)
A.“净化”的目的是防止催化剂失活
B.合成甲醇时压强越大越好
C.“冷却装置”能提高原料平衡转化率和反应速率
D.采用“高温”有利于提高甲醇的平衡产率
5.(2025吉林期中调研)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<0。下表列出了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
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A.从理论上分析,为了使SO2尽可能多地转化为SO3,应选择的条件是450 ℃、10 MPa
B.在实际生产中,通入过量的空气,可增大O2浓度,SO2和O2的转化率均会提高
C.在实际生产中,选定的温度在400~500 ℃,原因是温度过低会使反应速率太小,达平衡所需时间变长,温度过高,SO2的转化率会较低,温度为400~500 ℃下催化剂活性较佳
D.在实际生产中,采用的压强为常压,原因是常压下SO2的转化率已经很高,压强过大对设备要求过高
6.(不定项)(2025山东济南一中学情检测)在工业生产硝酸过程中,反应Ⅰ、Ⅱ均在氧化炉中发生,不同温度下各反应的化学平衡常数(K)如下表所示。下列说法正确的是 (　　)
温度K反应 反应Ⅰ:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) 反应Ⅱ:4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)
500 K 1.1×1026 mol·L-1 7.1×1014 mol·L-1
700 K 2.1×1019 mol·L-1 2.6×1025 mol·L-1
A.反应Ⅰ是放热反应,反应Ⅱ是吸热反应
B.升高氧化炉的温度,可加快反应Ⅰ的逆反应速率,减慢反应Ⅱ的逆反应速率
C.通过减小氧化炉的压强,可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D.反应Ⅱ在高温下能自发进行
7.(2025北京顺义一中月考)我国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。CO2资源化利用对缓解碳减排压力具有重要意义。在二氧化碳催化加氢制甲烷的反应体系中,主要发生的反应有:
反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH1=-164.7 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g)　ΔH3=-247.1 kJ·mol-1
向恒压、密闭容器中通入1 mol CO2和4 mol H2,平衡时体系内CH4、CO、CO2的物质的量(n)与温度(T)的变化关系如图所示。
(1)利用上述反应计算CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)的ΔH=　　　　　　　。
(2)结合上述反应,解释图中CO的物质的量随温度变化的原因:
　　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。
(3)在实际生产中为了提高甲烷的产量,选择的反应条件为较低温度和使用合适的催化剂,从反应原理角度说明选择该反应条件的理由:　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　、
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。
能力提升练
题组一　工业合成氨条件的选择与分析
1.(不定项)(2025山东青岛期中)在不同压强下,按照n(N2)∶n(H2)=1∶3方式进料合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),反应达平衡时NH3的物质的量分数随温度的变化关系如图。实验研究表明,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)。下列说法正确的是 (　　)
A.p1>p2>p3
B.Q点氢气的平衡转化率约为66.7%
C.Q点对应的压强平衡常数Kp=(MPa)-2
D.为同时提高合成氨反应速率和氨的平衡产率,可以及时分离出氨气
2.(2025北京八中期中)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)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。
合成氨生产流程示意图如下:
(1)流程中,有利于提高原料利用率的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;有利于提高单位时间内氨的产率的措施有　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)干燥净化中,有一步操作是用铜氨液除去原料气中的CO,其反应为[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq)　ΔH<0。对吸收CO后的铜氨废液应该怎样处理 请提出你的建议:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
题组二　工业情境中适宜生产条件的选择
3.(2024山西太原第二十一中学期中)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]。反应分两步进行且均可逆:①CO2(l)+2NH3(l) H2NCOONH4(l),②H2NCOONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l),反应过程中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H2NCOONH4
B.向某反应器中投入一定量的CO2(l)和NH3(l),随着反应的进行, H2NCOONH4的量会持续增大
C.增大,能增大CO2的平衡转化率
D.合成尿素反应CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l)的ΔH=E1-E4
4.(2025浙江台金七校联盟期中联考)将金红石(TiO2)转化为TiCl4是生产金属钛的关键步骤。在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比为1∶2∶2进行反应,平衡体系中部分物质的物质的量分数(x)随温度变化理论计算结果如图所示。
下列说法不正确的是 (　　)
A.200~1 600 ℃反应达到平衡时,TiO2的转化率均已接近100%
B.反应体系中可能发生的反应有:TiO2+2Cl2 TiCl4+O2、C+O2 CO2、C+CO2 2CO
C.1 000 ℃时,测得某时刻x(TiCl4)=0.2。其他条件不变,延长反应时间能使x(TiCl4)超过该温度下平衡时的x(TiCl4)
D.实际生产时反应温度选择900 ℃而不选择200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,生产效益更高
5.合成氨工业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CaCN2;
ⅱ.CaCN2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。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,氨气的物质的量分数x(NH3)与温度的关系如图所示。
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)与温度的关系与组成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.C　移走NH3,可提高原料的转化率,但不能增大合成氨的正反应速率,A项错误;根据关系图可知,a点n(H2)=n(N2),设N2的物质的量为1 mol,某时刻N2转化的物质的量为x mol,列三段式如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol　　1　　 1 　　0
转化/mol　　x　　 3x　　 2x
某时刻/mol　1-x　　1-3x　　 2x
该时刻N2的体积分数为×100%=50%,即N2的体积分数恒为定值,故当N2的体积分数不变时不能说明反应达平衡状态,B项错误;b点投料比,设投入N2的物质的量为1 mol,达平衡时N2转化的物质的量为y mol,列三段式如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol　　1　　 3　　 0
转化/mol　　y　　 3y　　 2y
平衡/mol　　1-y　　3-3y　　 2y
平衡状态时,NH3的体积分数为×100%=52%,解得y≈0.684,H2的体积分数为×100%≈36%,C项正确;N2的量越多,H2的转化率越大,但并不是N2的量越多越好,D项错误。
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.答案　(1)使用催化剂主要是为了加快反应速率,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。
4.A　“净化”的目的是除去杂质以防催化剂中毒失活,确保工业生产过程中的效率,故A正确;CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是反应前后气体体积减小的反应,增大压强可以使平衡正向移动,增大反应物的转化率,但压强越大,对设备的要求越高、需要的动力越大,在实际生产中,压强的选择并不是越大越好,而是需要综合考虑多个因素,故B错误;CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的正反应是放热反应,降低温度有利于平衡正向移动,且经过“冷却装置”可将甲醇液化从体系中分离出来,这也有利于提高原料平衡转化率,但不能提高反应速率,故C错误;CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的正反应是放热反应,采用“高温”不利于提高甲醇的平衡产率,故D错误。
5.B　由表格数据可知,450 ℃、10 MPa时,二氧化硫的转化率较高,故为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫,从理论上分析,应选择的条件是450 ℃、10 MPa,A项正确;通入过量的空气,可增大O2浓度,SO2的转化率会提高,O2的转化率会降低(易错点),B项错误;该反应为放热反应,温度过低会使反应速率太小,达平衡所需时间变长,温度过高,SO2的转化率会较低,温度为400~500 ℃下,催化剂活性较佳,故在实际生产中,选定的温度为400~500 ℃,C项正确;常压下二氧化硫的平衡转化率已经很高,虽然高压有利于提高原料的利用率,但高压对设备和动力的要求高,成本增加,从经济效益考虑,常压对生产更有利,D项正确。
名师点睛
对化学反应和化工生产条件进行综合分析
既要考虑化学反应速率和化学平衡,还要考虑催化剂活性、副反应、动力、材料、设备、原料的价格、未转化的反应物的循环使用、反应热的综合利用等问题。
(1)选择合适的温度:考虑对化学反应速率、化学平衡、催化剂活性的影响。
(2)一般要使用催化剂:这样可以加快化学反应速率,提高生产效率,也提高了经济效益。
(3)选择合适的压强:既要考虑化学反应速率和化学平衡,还要考虑动力、材料、设备等。
(4)若反应物有两种(或两种以上),通常采用适当增大一种材料易得且价格较便宜的反应物的浓度,以提高另外一种(或另外几种)反应物的转化率。
6.AD　根据数据可知,随温度升高,反应Ⅰ平衡常数减小,平衡逆向移动,所以该反应为放热反应;随温度升高,反应Ⅱ平衡常数增大,平衡正向移动,该反应为吸热反应(破题关键),故A正确;升高温度,反应Ⅰ、Ⅱ的正、逆反应速率均加快,故B错误;题给两个反应均为反应前后气体分子数增加的反应,所以减小压强,平衡均向正反应方向移动,故C错误;反应Ⅱ为吸热反应(ΔH>0),正反应气体分子数增加(ΔS>0),需满足ΔH-TΔS<0方可自发进行,则高温下能自发进行,故D正确。
7.答案　(1)+205.9 kJ·mol-1
(2)升高温度时,反应Ⅱ的平衡正向移动,反应Ⅲ的平衡逆向移动,平衡的移动使CO的含量升高
(3)较低的温度有利于反应Ⅰ正向进行　合适的催化剂可以加快反应速率,同时提高CH4的选择性
解析　(1)根据盖斯定律,反应Ⅱ-反应Ⅰ可得CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)　ΔH=+41.2 kJ·mol-1-(-164.7 kJ·mol-1)=+205.9 kJ·mol-1。
(3)反应Ⅰ为放热反应,较低的温度有利于该反应正向进行,但反应速率会较慢,所以还需选用合适的催化剂,加快反应速率,同时提高CH4的选择性。
能力提升练
1.CD　
设起始时氮气的物质的量为1 mol,Q点转化的氮气的物质的量为x mol,根据题意列三段式如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol　　1　　 3　　 0
转化/mol　　x　　 3x　　 2x
平衡/mol　　1-x　　3-3x　　 2x
平衡时气体的总物质的量为(1-x) mol+(3-3x) mol+2x mol=(4-2x) mol,Q点NH3的物质的量分数为=0.20,解得x=,所以氢气的平衡转化率为×100%≈33.3%,B项错误;平衡时气体的总物质的量为(4-2×) mol= mol,平衡时氮气、氢气和氨气的物质的量分数依次为,Q点对应的压强平衡常数Kp=(MPa)-2,C项正确;及时分离出氨气,氨气浓度降低,平衡正向移动,再结合v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)可知,及时分离出氨气可同时提高合成氨反应速率和氨的平衡产率,D项正确。
2.答案　(1)加压(10 MPa~30 MPa)、冷却使气态氨变为液态氨后分离出去、原料气循环利用　干燥净化、加压(10 MPa~30 MPa)、原料气循环利用、使用铁触媒(400~500 ℃)　(2)在减压条件下加热吸收CO后的铜氨废液,用硫酸溶液吸收氨气并收集CO
解析　(1)合成氨的反应是气体分子总数减小的放热反应,增大压强可促使平衡正移,从而提高原料利用率;“冷却”使氨气液化并及时分离可提高原料利用率;原料气循环使用也可提高N2、H2的利用率。增大压强可提高反应速率,干燥净化能防止催化剂(铁触媒)中毒,在400~500 ℃条件下铁触媒活性很高,故有利于提高单位时间内氨的产率的措施有干燥净化、加压(10 MPa~30 MPa)、原料气的循环利用、使用铁触媒(400~500 ℃)。
(2)反应[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq)　ΔH<0,升温、减压均可使平衡逆向移动,产生的混合气体用硫酸溶液吸收氨气后可回收CO,铜氨溶液可进行重复利用。
3.C　反应①放热、反应②吸热,升高温度,反应①的平衡逆向移动、反应②的平衡正向移动,不利于得到更多的H2NCOONH4,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,H2NCOONH4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;反应①的ΔH=E1-E2,反应②的ΔH=E3-E4,根据盖斯定律,①+②得CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l)　ΔH=E1-E2+E3-E4,D错误。
4.C　在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比1∶2∶2进行反应,反应的化学方程式为TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO;若题给3种反应物完全反应,体系中只存在产物TiCl4、CO,且物质的量之比为1∶2,此时TiCl4的物质的量分数约为33.3%,结合图像可知,200~1 600 ℃反应达到平衡时,TiCl4的物质的量分数均约为33.3%,则TiO2的转化率均已接近100%,A项正确。结合图像可知,TiCl4与Cl2的物质的量分数基本不随温度变化而变化,可能存在反应TiO2+2Cl2 TiCl4+O2;400~800 ℃,随温度升高,二氧化碳含量减小、一氧化碳含量增加,说明该条件下可能存在反应:C+CO2 2CO,二氧化碳可能来自反应C+O2 CO2,B项正确。延长反应时间不能改变平衡时物质的转化率和产率,因此不可能超过该温度下平衡时的x(TiCl4),C项不正确。温度越高反应速率越快,单位时间内产率越高,实际生产时反应温度选择900 ℃而不选择200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,生产效益更高,D项正确。
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.33.3%　
ⅲ.
(3)、H—H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　(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=,则N2的转化率为33.3%。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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