2022年魯科版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》word教案

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1、2022年魯科版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》word教案 一、選擇題(本題包括10小題，每小題5分，共50分) 1．合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)是(　　) ①可逆?、诓豢赡妗、壅磻?yīng)放熱?、苷磻?yīng)吸熱?、菡磻?yīng)氣體總體積增大　⑥正反應(yīng)氣體總體積縮小 A．①③⑤ B．②④⑥ C．①③⑥ D．④⑤⑥ 答案：　C 2．合成氨工業(yè)上采用了循環(huán)操作，主要原因是(　　) A．加快反應(yīng)速率 B．提高NH3的平衡濃度 C．降低NH3的沸點(diǎn) D．提高N2和H2的利用率 解析：　合成氨是可逆反應(yīng)，在中壓工藝條件下合成氨廠出口氣中的氨含量一般為13%～14%，循環(huán)使用可提高

2、N2和H2的利用率。 答案：　D 3．(xx·上海高考)1913年德國(guó)化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿(mǎn)足了當(dāng)時(shí)日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是(　　) A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ 解析：　合成氨反應(yīng)為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，加壓、降溫、減小NH3的濃度均有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，②、④正確；將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉(zhuǎn)化率，⑤正確。 答案：　B 4．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法中，正確的是(　　) A．從合成塔出來(lái)的混合氣體，其中氨氣只占13%

3、～14%，所以生產(chǎn)氨的工廠效率都很低 B．由于氨易液化，N2(g)、H2(g)是循環(huán)使用的，總體來(lái)講氨的產(chǎn)率比較高 C．合成氨反應(yīng)溫度控制在500 ℃左右，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) D．合成氨采用的壓強(qiáng)是2×107～5×107Pa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大 解析：　雖然從合成塔出來(lái)的混合氣體中氨氣只占13%～14%，但由于氮?dú)狻錃馐茄h(huán)使用的，總體來(lái)講氨的產(chǎn)率比較高；合成氨是放熱反應(yīng)，選擇高溫不利于氨氣的合成，選擇500 ℃左右的溫度在于提高化學(xué)反應(yīng)速率和增大催化劑的活性；催化劑的活性取決于溫度的大小，而不是取決于壓強(qiáng)的高低。 答案：　B 5．(xx·汕頭高二質(zhì)檢)合

4、成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。根據(jù)此圖分析合成氨工業(yè)最有前途的研究方向是(　　) A．提高分離技術(shù) B．研制耐高壓的合成塔 C．研制低溫催化劑 D．探索不用N2和H2合成氨的新途徑 解析：　由圖可知：φ(NH3)隨著溫度的升高而顯著下降，故要提高φ(NH3)必須降低溫度，但目前所用催化劑——鐵觸媒活性最好時(shí)的溫度在700 K左右。故最有前途的研究方向?yàn)檠兄频蜏卮呋瘎? 答案：　C 6．高溫下，某反應(yīng)達(dá)平衡，平衡常數(shù)K＝。恒容時(shí)，溫度升高，H2濃度減小。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．該反應(yīng)的焓變?yōu)檎? B．恒溫恒容下，增大壓強(qiáng)，H2濃度一定減小

5、 C．升高溫度，逆反應(yīng)速率減小 D．該反應(yīng)化學(xué)方程式為CO＋H2OCO2＋H2 解析：　由平衡常數(shù)表達(dá)式寫(xiě)出可逆反應(yīng)為CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由于升高溫度，H2濃度減小，說(shuō)明升溫平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，因此正反應(yīng)是吸熱的，焓變?yōu)檎?，A項(xiàng)正確；由于反應(yīng)前后氣體體積相等，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，但若通入H2其濃度會(huì)增大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；升高溫度，正逆反應(yīng)速率都會(huì)增大，C項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案：　A 7．工業(yè)合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，下列關(guān)于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反應(yīng)的圖象中，錯(cuò)誤的是(　　) 解析：　合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫、正、逆反應(yīng)

6、速率都增大，但逆反應(yīng)增大的程度大，A正確；在T1時(shí)NH3%最大，達(dá)到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，NH3%減小，B正確，C錯(cuò)誤；增大壓強(qiáng)，平衡向右移動(dòng)，NH3%增大，D正確。 答案：　C 8．(xx·寧波高二質(zhì)檢)有平衡體系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量，應(yīng)采用的正確措施是(　　) A．高溫、高壓 B．適宜溫度、高壓、催化劑 C．低溫、低壓 D．高溫、高壓、催化劑 解析：　要增加甲醇的產(chǎn)量，需要從兩方面考慮：一提高反應(yīng)速率，可采取較高的溫度，較大的壓強(qiáng)，使用催化劑；二增大反應(yīng)限度，低溫、高壓，有利于該可逆反應(yīng)的平衡

7、右移，所以可采取適宜溫度、高壓、催化劑。 答案：　B 9．(xx·福州高二質(zhì)檢)合成氨反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，在反應(yīng)過(guò)程中，正反應(yīng)速率的變化如圖： 下列說(shuō)法正確的是(　　) A．t1時(shí)升高了溫度 B．t2時(shí)使用了催化劑 C．t3時(shí)增大了壓強(qiáng) D．t4時(shí)降低了溫度 解析：　若t1時(shí)升高了溫度，則隨后v正應(yīng)增大至平衡，A錯(cuò)；若t3增大了壓強(qiáng)，v正應(yīng)增大，而不會(huì)減小，故C錯(cuò)；若t4時(shí)降低了溫度，則v正應(yīng)突然減小，曲線(xiàn)不應(yīng)相連，D錯(cuò)。 答案：　B 10．在密閉容器內(nèi)，N2、H2起始的物質(zhì)的量分別為10 mol、

8、30 mol，達(dá)到平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率為25%。若從NH3開(kāi)始，在相同條件下欲使平衡時(shí)各成分的百分含量相同，則應(yīng)加入NH3的物質(zhì)的量及NH3的轉(zhuǎn)化率為(　　) A．15 mol和25% B．20 mol和50% C．20 mol和75% D．40 mol和80% 解析：　以N2、H2為起始時(shí)，N2為10 mol，H2為30 mol，要以NH3開(kāi)始反應(yīng)，并且平衡時(shí)百分含量與前者相同，取NH3的量必須是20 mol，故A和D是錯(cuò)誤的。 設(shè)以NH3開(kāi)始反應(yīng)時(shí)，氨轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x，那么有20 mol－x＝2×10 mol×25%，x＝15 mol 氨的轉(zhuǎn)化率：×100%＝75%。

9、答案：　C 二、非選擇題(本題包括4小題，共50分) 11．(12分)工業(yè)上合成氨是在一定條件下進(jìn)行如下反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.44 kJ·mol－1，其部分工藝流程如圖所示： 反應(yīng)體系中各組分的部分性質(zhì)見(jiàn)下表 氣體 氮?dú)? 氫氣 氨 熔點(diǎn)/℃ －210.01 －252.77 －77.74 沸點(diǎn)/℃ －195.79 －259.23 －33.42 回答下列問(wèn)題： (1)寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K＝________________________________ __________________________

10、______________。 隨著溫度升高，K值________(填“增大”、“減小”或“不變”)。 (2)K值越大，表明________(填字母)。 A．其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越高 B．其他條件相同時(shí)NH3的產(chǎn)率越大 C．原料中N2的含量越高 D．化學(xué)反應(yīng)速率越快 (3)在工業(yè)上采取氣體循環(huán)的流程，即反應(yīng)后通過(guò)把混合氣體的溫度降低到________使________分離出來(lái)；繼續(xù)循環(huán)的氣體是________。 解析：　(1)由化學(xué)方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)不難寫(xiě)出：K＝，此反應(yīng)ΔH<0，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，即向左移動(dòng)，[

11、NH3]減小，[N2]和[H2]增大，故K減小。(2)K值越大，說(shuō)明[NH3]越大，[N2]和[H2]就越小，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度大，故其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率就越高，NH3的產(chǎn)率就越大。(3)根據(jù)氣體的熔、沸點(diǎn)可知，氨氣容易液化，使其分離可使平衡正向移動(dòng)，剩余N2和H2循環(huán)使用，以提高產(chǎn)率。 答案：　(1)　減小　(2)AB (3)－33.42 ℃　氨　N2和H2 12．(12分)下表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強(qiáng)下，平衡混合物中NH3含量的變化情況。 達(dá)到平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))[入料V(N2)∶V(H2)＝1∶3] 0.1 10 20 30 60

12、 100 200 ℃ 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 ℃ 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 ℃ 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 ℃ 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 ℃ 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)比較200 ℃和300 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)，可判斷升高溫度，平衡向________方向移動(dòng)，正反應(yīng)方向?yàn)開(kāi)_______(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。 (2)根據(jù)平衡移

13、動(dòng)原理，合成氨適宜的條件是________。 A．高溫高壓 B．高溫低壓 C．低溫高壓 D．低溫低壓 (3)計(jì)算500 ℃，30 MPa時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率________。 (4)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)合成氨時(shí)，考慮濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響，還采取了一些措施。請(qǐng)寫(xiě)出其中的一個(gè)措施：__________________________________________________________。 解析：　(1)由表中數(shù)據(jù)可以看出，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，200 ℃ NH3的百分含量比300 ℃中NH3的百分含量高，故知升高溫度平衡向左(或逆向)移動(dòng)，進(jìn)而據(jù)平衡移動(dòng)原理判斷出正反應(yīng)方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)。

14、 (2)由表中數(shù)據(jù)知，在相同壓強(qiáng)下，溫度越高，NH3的百分含量越低；相同溫度時(shí)，壓強(qiáng)越大，NH3的百分含量越高，故合成氨適宜條件是低溫高壓。 (3)　 N2 ＋ 3H2  2NH3 起始　1　　　3　 　　0 轉(zhuǎn)化　n　　　3n　 　2n 平衡　1－n　 3－3n　 2n ×100%＝26.4% n＝0.417 7 故N2的轉(zhuǎn)化率為×100%＝41.77%。 答案：　(1)左(或逆反應(yīng))　放熱　(2)C　(3)41.77% (4)加入過(guò)量的N2(或及時(shí)從平衡混合物中移走NH3) 13．(12分)(xx·南通高二質(zhì)檢)對(duì)于2XY(g)的體系，在壓強(qiáng)一定時(shí)，平衡

15、體系中Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Y)隨溫度的變化情況如右圖所示(實(shí)線(xiàn)上的任何一點(diǎn)為對(duì)應(yīng)溫度下的平衡狀態(tài)。) (1)該反應(yīng)的正反應(yīng)方向是一個(gè)____反應(yīng)(填“吸熱”或“放熱”)。 (2)A、B、C、D、E各狀態(tài)中，v(正)”或“＝”)。 (4)欲要求使E狀態(tài)從水平方向到C狀態(tài)后，再沿平衡曲線(xiàn)到達(dá)A狀態(tài)，從理論上來(lái)講，可選用的條件是____________________________________________________。 解析：　由圖可知，隨著

16、溫度的升高，w(Y)逐漸減少，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)。A、B、C、D、E中A、B、C在平衡曲線(xiàn)上，則A、B、C都處于各自的平衡狀態(tài)中，D、E兩點(diǎn)不在平衡曲線(xiàn)上，即它們沒(méi)有達(dá)到化學(xué)平衡，因?yàn)镋狀態(tài)的w(Y)比該溫度下平衡時(shí)的小，所以平衡正向移動(dòng)，v(正)>v(逆)，D狀態(tài)的w(Y)比該溫度下的平衡狀態(tài)時(shí)的大，平衡逆向移動(dòng)，此時(shí)v(逆)>v(正)。D、E要達(dá)到各自溫度下的平衡狀態(tài)所轉(zhuǎn)化的Y的物質(zhì)的量，因?yàn)镈處的溫度比E處的溫度高，D處反應(yīng)速率快，所以D處達(dá)到平衡所需時(shí)間短。E→C，要滿(mǎn)足w(Y)不變，溫度升高，只有采取突然升溫，C→A的變化符合平衡曲線(xiàn)，意味著要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)溫度下的

17、平衡狀態(tài)的點(diǎn)后，C才能到達(dá)A，所以只有采取無(wú)限緩慢地降溫。 答案：　(1)放熱　(2)D　(3)>　(4)先突然升溫到t2，然后無(wú)限緩慢地降低溫度到t1 14．(16分)(xx·深圳高二質(zhì)檢)科學(xué)家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。 (1)目前合成氨技術(shù)原理為：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1 ①673 K,30 MPa下，上述合成氨反應(yīng)中n(NH3)和n(H2)隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是________。 A．點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的大 B．點(diǎn)c處反應(yīng)達(dá)到平衡 C．點(diǎn)d和點(diǎn)e處的n(N2)相同 D．773 K,

18、30 MPa下，t2時(shí)刻也是該反應(yīng)的平衡點(diǎn)，則n(NH3)比圖中e點(diǎn)的值大 ②在容積為2.0 L恒容的密閉容器中充入0.80 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反應(yīng)在673 K、30 MPa下進(jìn)行，達(dá)到平衡時(shí)，NH3的體積分?jǐn)?shù)為20%。該條件下反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常數(shù)K＝________。 (2)根據(jù)最新“人工固氮”的研究報(bào)道，在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑(摻有少量Fe2O3的TiO2)表面與水發(fā)生下列反應(yīng)： N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g)　ΔH＝a kJ·mol－1 進(jìn)一步研究NH3生成量與溫度的關(guān)系

19、，常壓下達(dá)到平衡時(shí)測(cè)得部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表： T/K 303 313 323 NH3生成量/(10－6 mol) 4.8 5.9 6.0 ①此合成反應(yīng)的a________0；ΔS________0。(填“>”、“<”或“＝”) ②已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1 2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1 則N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g)　ΔH＝____________kJ·mol－1。 解析：　(1)①a、b兩點(diǎn)均未達(dá)到平衡，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速

20、率，且正反應(yīng)速率逐漸減小，逆反應(yīng)速率逐漸增大，則點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的大；點(diǎn)c處，[H2]＝[NH3]，相等并不是不變，此點(diǎn)未達(dá)到平衡；點(diǎn)d(t1時(shí)刻)和點(diǎn)e(t2時(shí)刻)處都是處在平衡狀態(tài)，n(N2)或[N2]不變；溫度升高，合成氨的可逆反應(yīng)平衡逆向移動(dòng)，n(H2)或[H2]增大，n(NH3)減小。 ②設(shè)在反應(yīng)過(guò)程中N2的物質(zhì)的量的變化為x。 3H2　　＋　　N2　　2NH3 始/mol 1.60 0.80 0 變/mol 3x x 2x 平/mol 1.6－3x

21、0.8－x 2x ×100%＝20%， 解得x＝0.2。 K＝＝＝ mol－2·L2。 (2)①溫度升高，NH3的生成量增多，平衡右移，故正反應(yīng)吸熱，ΔH>0，即a>0；由于原反應(yīng)中反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量增大，故ΔS>0。 ②由2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1可得，3H2O(l)===3H2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋857.4 kJ·mol－1，再與N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1相加，可得N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g)　ΔH＝＋765.2 kJ·mol－1。 答案：　(1)①A、C?、?mol－2·L2(或1.07 mol－2·L2或1.1 mol－2·L2) (2)①>　>?、冢?65.2