2019-2020年高中化學(xué) 2.4《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》課堂鞏固訓(xùn)練2 魯科版選修4.doc

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2019-2020年高中化學(xué) 2.4《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》課堂鞏固訓(xùn)練2 魯科版選修4 1．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：選D。合成氨是可逆反應(yīng)，在中壓工藝條件下合成氨廠(chǎng)出口氣中的氨含量一般為13%～14%，循環(huán)使用可提高N2和H2的利用率。 2．工業(yè)上合成氨一般采用700 K左右的溫度，其原因是(　　) ①適當(dāng)提高氨的合成速率?、谔岣逪2的轉(zhuǎn)化率　③提高氨的產(chǎn)率?、艽呋瘎┰?00 K時(shí)活性最大 A．只有① B．①② C．②③④ D．①④ 解析：選D。從影響化學(xué)反應(yīng)速率和催化劑的活性?xún)煞矫婵紤]。 3．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NH3只占15%，所以生產(chǎn)氨的工廠(chǎng)的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中是循環(huán)使用，所以總體來(lái)說(shuō)氨的產(chǎn)率很高 C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 ℃，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) D．合成氨廠(chǎng)采用的壓強(qiáng)是2107～5107 Pa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸煤的活性最大 解析：選B。合成氨的反應(yīng)在適宜的生產(chǎn)條件下達(dá)到平衡時(shí)，原料的轉(zhuǎn)化率并不高，但生成的NH3分離出后，再將未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)利用，這樣處理后，可使氨的產(chǎn)率較高，據(jù)此可知A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；合成氨工業(yè)選擇500 ℃左右的溫度，是綜合了多方面的因素而確定的。因合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫才有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；不論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡考慮，高壓更有利于合氨，但壓強(qiáng)太大，對(duì)設(shè)備、動(dòng)力的要求更高，基于此選擇了20 MPa～50 MPa的高壓，催化劑活性最大時(shí)的溫度是500 ℃，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 4．在N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0的平衡體系中，當(dāng)分離出NH3時(shí)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．平衡正向移動(dòng) B．平衡逆向移動(dòng) C．平衡體系中NH3的含量增大 D．N2的平衡轉(zhuǎn)化率降低 解析：選A。降低產(chǎn)物濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率提高。 5．對(duì)于可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．達(dá)到平衡后加入N2，當(dāng)重新達(dá)到平衡時(shí)，NH3的濃度比原平衡的大，N2的濃度比原平衡的小 B．達(dá)到平衡后，升高溫度，既加快了正、逆反應(yīng)速率，又提高了NH3的產(chǎn)率 C．達(dá)到平衡后，縮小容器體積，既有利于加快正、逆反應(yīng)速率，又有利于提高氫氣的轉(zhuǎn)化率 D．加入催化劑可以縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，是因?yàn)檎磻?yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率減小 解析：選C。達(dá)到平衡后，加入N2，平衡將正向移動(dòng)，達(dá)到新平衡后，NH3的濃度會(huì)增大，而N2的濃度比原平衡的大；達(dá)到平衡后，升高溫度，正、逆反應(yīng)速率都增大，但平衡逆向移動(dòng)，不利于NH3的生成；達(dá)到平衡后，縮小容器體積即增大壓強(qiáng)，正、逆反應(yīng)速率都增大，平衡正向移動(dòng)，有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；加入催化劑，能同等程度地增大正、逆反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間。 6．在合成氨時(shí)，既要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學(xué)反應(yīng)速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大體積使壓強(qiáng)減小　②減小體積使壓強(qiáng)增大?、凵邷囟取、芙档蜏囟取、莺銣睾闳?，再充入等量的N2和H2?、藓銣睾銐海俪淙氲攘康腘2和H2?、呒皶r(shí)分離產(chǎn)生的NH3?、嗍褂煤线m的催化劑 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ 解析：選C。①減小壓強(qiáng)，產(chǎn)率降低，速率變慢，所以②正確；③升溫平衡左移，④降溫速率變慢，所以③④錯(cuò)；⑤相當(dāng)于加壓，正確，⑥錯(cuò)；⑦反應(yīng)速率變慢；⑧對(duì)平衡無(wú)影響。 7．(xx高考上海理科綜合能力測(cè)試)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：選B。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。 8．(xx濟(jì)南高二調(diào)研)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)的圖像中，錯(cuò)誤的是(　　) 解析：選C。合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫，正、逆反應(yīng)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；低溫下達(dá)到平衡，NH3的含量大，C錯(cuò)誤；增大壓強(qiáng)，平衡向右移動(dòng)，NH3%增大，D正確。 9．在一定條件下，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后，混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)為25%。若反應(yīng)前后保持條件不變，則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是(　　) A．1/5 B．1/4 C．1/3 D．1/2 解析：選A。設(shè)平衡后混合氣體的體積為100 mL，則其中氨的體積為25mL。由反應(yīng)的化學(xué)方程式N2＋3H22NH3可以看出，每生成2體積的NH3，反應(yīng)體系的總體積也縮小2體積，從而推知，反應(yīng)后縮小的氣體體積和平衡后混合氣體中NH3的體積相等，即縮小的氣體體積為25 mL，則反應(yīng)前的氣體體積為100 mL＋25 mL＝125 mL。反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比值是25∶125＝1/5，即選項(xiàng)A正確。 10. 合成氨工業(yè)對(duì)化學(xué)工業(yè)和國(guó)防工業(yè)具有重要意義。工業(yè)合成氨的原理是：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，生產(chǎn)流程如圖所示。 (1)X的化學(xué)式為_(kāi)_________。 (2)如圖中條件選定的主要原因是(選填字母)__________。 A．升高溫度、增大壓強(qiáng)均有利于氨的合成 B．鐵在該溫度時(shí)活性最大 C．工業(yè)生產(chǎn)受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制 (3)改變反應(yīng)條件，會(huì)使平衡發(fā)生移動(dòng)。 如圖表示隨條件改變，產(chǎn)物中氨氣的百分含量的變化趨勢(shì)。 當(dāng)橫坐標(biāo)為壓強(qiáng)時(shí)，變化趨勢(shì)正確的是(填字母)__________。 當(dāng)橫坐標(biāo)為溫度時(shí)，變化趨勢(shì)正確的是(填字母)__________。 解析：(1)由合成塔中合成的流程標(biāo)識(shí)知最后冷卻分離出去的是液態(tài)NH3。 (2)綜合選擇的合成條件，選擇的主要原因是溫度影響鐵的催化活性，壓強(qiáng)影響到設(shè)備、材料等。 (3)增大壓強(qiáng)，平衡右移，w(NH3)增大；升高溫度，平衡左移，w(NH3)減小。 答案：(1)NH3　(2)BC　(3)c　a 11．合成氨工業(yè)中，采用氮?dú)夂蜌錃?∶2.8的物質(zhì)的量之比進(jìn)入合成塔。從合成塔出來(lái)的混合氣體中，氨氣占體積的15%。為使氮?dú)夂蜌錃獾玫匠浞掷?，工業(yè)上采用將氨氣分離向剩余反應(yīng)物中不斷補(bǔ)充新鮮的原料氣使氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量之比仍為1∶2.8，并將其重新充入合成塔的方法來(lái)合成氨。 (1)不用計(jì)算，說(shuō)出H2、N2平衡轉(zhuǎn)化率較大的是__________________________。 (2)從合成塔出來(lái)的氣體__________(填“<”、“>”或“＝”)。 (3)采用相同溫度、相同壓強(qiáng)，若初始n(N2)∶n(H2)＝1∶3，則氨氣的體積分?jǐn)?shù)__________15%(填“<”、“>”或“＝”)。 (4)計(jì)算氮?dú)夂蜌錃庖?∶2.8的物質(zhì)的量之比反應(yīng)時(shí)H2、N2的平衡轉(zhuǎn)化率__________________________。 解析：很明顯，當(dāng)反應(yīng)物按照化學(xué)方程式中的系數(shù)之比加入時(shí)，各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率相同，生成物的體積分?jǐn)?shù)最大。當(dāng)不按照反應(yīng)的系數(shù)比加入時(shí)，比例變小的轉(zhuǎn)化率高，平衡時(shí)所占比例會(huì)更小。 假設(shè)加入氮?dú)夂蜌錃夥謩e為1 mol、2.8 mol，反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為x mol，則 　　　　　　　3H2?。22NH3 初始物質(zhì)的量/mol 2.8 1 0 轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量/mol 3x x 2x 平衡物質(zhì)的量/mol 2.8－3x 1－x 2x 100%＝15% x＝0.248 N2的平衡轉(zhuǎn)化率為100%＝24.8% H2的平衡轉(zhuǎn)化率為100%＝26.6% 答案：(1)H2　(2)>　(3)>　(4)α(N2)＝24.8%　α(H2)＝26.6% 12．鐵在高溫下可以與CO2或水蒸氣反應(yīng)，化學(xué)方程式及對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)如下： ①Fe(s)＋CO2(g) FeO(s)＋CO(g)　K′c ②Fe(s)＋H2O(g) FeO(s)＋H2(g)　K″c 請(qǐng)回答下列各題： (1)反應(yīng)①的平衡常數(shù)K′c的表達(dá)式為_(kāi)_________________________ __________________________。 (2)在不同溫度下，K′c和K″c的值如下表所示： T(K) K′c K″c 973 1.47 2.36 1173 2.15 1.67 a.反應(yīng)①的正反應(yīng)是__________(填“吸熱”或“放熱”，下同)反應(yīng)，反應(yīng)②的正反應(yīng)是__________反應(yīng)。 b．現(xiàn)有可逆反應(yīng)③：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)，其正反應(yīng)的焓變?chǔ)__________(填“>”或“<”)0。 (3)要使反應(yīng)③在一定條件下建立的平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，可采取的措施為_(kāi)_________(填字母)。 A．縮小容器體積 B．降低溫度 C．升高溫度 D．使用合適的催化劑 解析：由表中數(shù)據(jù)知：反應(yīng)①隨溫度升高，K′增大，說(shuō)明反應(yīng)①為吸熱反應(yīng)；同理知反應(yīng)②為放熱反應(yīng)。即有 ①Fe(s)＋CO2(g) FeO(s)＋CO(g)　ΔH′>0 ②Fe(s)＋H2O(g) FeO(s)＋H2(g)　ΔH″<0， 將①式減去②式整理得：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝ΔH′－ΔH″>0。 答案：(1)K′c＝　(2)吸熱　放熱　>　(3)C 13．(xx石嘴山高二競(jìng)賽考試)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 kJmol－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,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) 希臘亞里斯多德大學(xué)的兩位科學(xué)家曾采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H＋)，實(shí)現(xiàn)了高溫常壓下高轉(zhuǎn)化率的電解合成氨。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖。陰極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_____________________。 (3)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 kJmol－1 進(jìn)一步研究NH3生成量與溫度的關(guān)系，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/(10－6mol) 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 kJmol－1 2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)ΔH＝－571.6 kJmol－1 則N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝__________。 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，c(H2)＝c(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c(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c(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?。2　　2NH3　　　　　 始/mol 1.60 0.80 0 變/mol 3x x 2x 平/mol 1.6－3x 0.8－x 2x 100%＝20%， 解得x＝0.2。 K＝＝＝ mol－2L2。 (2)合成氨反應(yīng)中H2是還原劑，N2是氧化劑，N2在陰極得電子變成N3－，與H2失電子之后傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的H＋結(jié)合生成NH3，即陰極反應(yīng)式為N2＋6H＋＋6e－===2NH3。 (3)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第1個(gè)反應(yīng)減去第二個(gè)反應(yīng)的倍可得： N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g)　ΔH＝＋765.2 kJmol－1。 答案：(1)①AC?、?mol－2L2(或1.07 mol－2L2或1.1 mol－2L2) (2)N2＋6H＋＋6e－===2NH3 (3)①>　>?、冢?65.2