新編高中化學(xué)魯科版選修4：課時跟蹤檢測十三 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨 Word版含解析

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1、新編化學(xué)精品資料 課時跟蹤檢測（十三） 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨 1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中正確的是(　　) A．鐵做催化劑可加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動 B．升高溫度可以加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動 C．增大壓強能縮短到達(dá)平衡狀態(tài)所用的時間 D．合成氨采用的壓強是2×107～5×107 Pa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最高 解析：選C　催化劑可以改變反應(yīng)速率，但不能使平衡移動，只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時間，A項錯誤；升高溫度可以加快反應(yīng)速率，但合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此升高溫度不利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動，B項錯誤；

2、增大壓強加快反應(yīng)速率，C項正確；催化劑的活性取決于溫度的高低，而非取決于壓強的大小，D項錯誤。 2．合成氨反應(yīng)使用催化劑的理由是(　　) A．使逆反應(yīng)不發(fā)生 B．使平衡向正反應(yīng)方向移動 C．加快正、逆反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間 D．提高原料的轉(zhuǎn)化率 解析：選C　使用催化劑，加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡時間，但平衡不移動。 3．合成氨時，既要使H2的轉(zhuǎn)化率增大，又要使反應(yīng)速率增大，可采取的方法是(　　) A．補充H2　　　　　　　　 B．升高溫度 C．增大壓強 D．使用催化劑 解析：選C　合成氨反應(yīng)是放熱、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應(yīng)，補充H2、升高溫度、增大壓強、使用催化劑都

3、能使反應(yīng)速率增大，但補充H2會使H2的轉(zhuǎn)化率減??；升高溫度使平衡左移，H2的轉(zhuǎn)化率減小；使用催化劑，平衡不移動，H2的轉(zhuǎn)化率不變；只有增大壓強會使平衡右移，H2的轉(zhuǎn)化率增大。 4．如圖所示是合成氨的簡要流程示意圖，圖中沿x路線到壓縮機的物質(zhì)是(　　) A．N2和H2 B．催化劑 C．N2 D．H2 解析：選A　在合成塔中氨的產(chǎn)率較低，有大量未反應(yīng)的N2和H2，為提高原料的利用率，將未反應(yīng)的原料氣循環(huán)利用。 5．下列措施不能使合成氨反應(yīng)的速率增大的是(　　) A．升高溫度 B．降低溫度 C．使用催化劑 D．及時分離出NH3 解析：選B　在特定條件下，合成氨反應(yīng)

4、的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，可知及時分離出NH3能提高合成氨反應(yīng)的速率；升高溫度、使用催化劑能提高合成氨反應(yīng)的速率。 6.合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時，NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強的關(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：選C　由題圖可知，NH3的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而顯著下降，故要提高NH3的體積分?jǐn)?shù)，必須降低溫度，但目前所用催化劑鐵觸媒的活性最高時的溫度為700 K，故最有前途的研究方向為研制低

5、溫催化劑。 7．一定條件下，將10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并達(dá)到平衡狀態(tài)，則H2的轉(zhuǎn)化率可能是(　　) A．15% B．30% C．35% D．75% 解析：選A　對可逆反應(yīng)而言，任何一種物質(zhì)都不能完全轉(zhuǎn)化。利用“極限法”，假設(shè)N2完全轉(zhuǎn)化，則消耗的H2的物質(zhì)的量為n(H2)＝3n(N2)＝3.0 mol，但事實上，N2是不可能完全轉(zhuǎn)化的，因而消耗的H2的物質(zhì)的量一定小于3.0 mol，故H2的轉(zhuǎn)化率α(H2)<×100%＝30%。 8．下列關(guān)于N2＋3H22NH3反應(yīng)速率與時間的關(guān)系

6、圖中，縱坐標(biāo)為反應(yīng)速率v，橫坐標(biāo)為時間t，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后，條件發(fā)生改變與速率變化的關(guān)系中不符合實際的是(　　) 解析：選A　合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式的特點是：體積縮小、放熱反應(yīng)，所以加壓和降溫有利于化學(xué)平衡向著生成氨氣的方向移動。達(dá)到化學(xué)平衡后，若升高溫度，化學(xué)平衡左移，實際上此時是逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率，所以A圖像錯誤；如果給體系加壓，體系中所有物質(zhì)的濃度都增大，所以正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大的幅度大于逆反應(yīng)速率增大的幅度，所以B圖像正確；使用催化劑不會使化學(xué)平衡發(fā)生移動，只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，所以C圖像也是正確的；補充N2和H2，則平衡體系中反應(yīng)物的濃度增加，所以正反應(yīng)

7、速率增大，分離出NH3，產(chǎn)物的濃度降低，所以逆反應(yīng)速率減小，所以D圖像正確。 9．在密閉容器內(nèi)，使1 mol N2與3 mol H2混合發(fā)生下列反應(yīng)：3H2＋N22NH3　ΔH<0 (1)合成氨時選擇500 ℃高溫的目的是________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，N2和H2的濃度比是________。 (3)當(dāng)達(dá)到平衡時，充入氬氣，并保持體積不變，平衡將________移

8、動。 (4)當(dāng)達(dá)到平衡時，充入氬氣，并保持壓強不變，平衡將________移動，反應(yīng)速率將________。 (5)當(dāng)達(dá)到平衡時，充入N2并保持壓強不變，平衡將________移動。 (6)當(dāng)達(dá)到平衡時，保持體積不變，升高溫度時，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量________，密度________。 解析：合成氨時選擇500 ℃高溫可以加快反應(yīng)速率，而且工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大；因為初始和轉(zhuǎn)化的N2和H2的濃度比都是1∶3，所以當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，N2和H2的濃度比是1∶3；平衡時保持體積不變，充入氬氣平衡不移動；保持壓強不變充入氬氣，容器體積變大，反應(yīng)速率將變小，平衡逆向移動；充

9、入N2并保持壓強不變，平衡將正向移動；保持體積不變，升高溫度時，平衡逆向移動，混合氣體的質(zhì)量不變，總物質(zhì)的量變大，平均相對分子質(zhì)量變小，密度不變。 答案：(1)加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大　(2)1∶3　(3)不　(4)逆向　變小 (5)正向　(6)減小　不變 10．下表的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強下，平衡混合物中NH3含量的變化情況。 達(dá)到平衡時平衡混合物中NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))c(投料V(N2)∶V(H2)＝1∶3] NH3的含量/%壓強/MPa溫度/℃ 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89

10、.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 ℃時的數(shù)據(jù)，可判斷升高溫度，平衡向________(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動，正反應(yīng)方向為________(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。 (2)根據(jù)平衡移動原理，合成氨適宜的條件是__________

11、__________________________。 A．高溫高壓 B．高溫低壓 C．低溫高壓 D．低溫低壓 (3)計算500 ℃，30 MPa時N2的轉(zhuǎn)化率________。 (4)實際工業(yè)生產(chǎn)氨時，考慮濃度對化學(xué)平衡的影響，及500 ℃對反應(yīng)速率的影響，還采取了一些措施請分別寫出其中的一個措施：______________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)表中數(shù)據(jù)表明：恒壓時，升高溫度，w(NH3)

12、減小，說明平衡逆向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。 (2)由反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，合成氨適宜條件是低溫、高壓，此時平衡右移，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率大。 (3)假設(shè)N2的用量為1 mol，H2的用量為3 mol，N2的消耗量為x mol，則： 　　　　　　N2(g)?。?H2(g)2NH3(g) 初始量(mol) 1 3 0 轉(zhuǎn)化量(mol) x 3x 2x 平衡量(mol) 1－x 3－3x 2x 得：×100%＝26.4% x＝0.4177 α(N2)＝×100%＝41.77%。 (4)增大反應(yīng)物濃度或降低產(chǎn)物濃度有利于平衡右移

13、；低溫時雖然有利于化學(xué)反應(yīng)正向進(jìn)行，但速率較小，為提高化學(xué)反應(yīng)速率，500 ℃時加入合適的催化劑(鐵)，既提高化學(xué)反應(yīng)速率，又使鐵的催化性能最好。 答案：(1)逆反應(yīng)　放熱 (2)C　(3)41.77% (4)加過量N2或及時從平衡體系中移走NH3，選擇合適的催化劑(如鐵) 1．可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，達(dá)到平衡后，為了使氫氣的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項中采用的三種方法正確的是(　　) A．升高溫度、降低壓強、增加氮氣 B．降低溫度、增大壓強、加入催化劑 C．升高溫度、增大壓強、增加氮氣 D．降低溫度、增大壓強、分離出部分氨氣 解析：選D

14、　要使氫氣的轉(zhuǎn)化率增大，需使平衡向正反應(yīng)方向移動，根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，需降低溫度；正反應(yīng)為氣體總體積減小的反應(yīng)，需增大壓強；另外還可通過及時分離出部分氨氣，減小生成物濃度的方法，促使平衡右移，故選D。 2．下列說法能夠用平衡移動原理來解釋的是(　　) A．加入催化劑可以提高單位時間氨的產(chǎn)量 B．高壓有利于氨的合成反應(yīng) C．500 ℃高溫比室溫更利于合成氨的反應(yīng) D．恒溫恒容下，在合成氨平衡體系中充入He，使壓強增大，則平衡正向移動，NH3增多 解析：選B　A項，加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的時間，提高“單位時間”的產(chǎn)量，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動；B

15、項，合成氨是一個氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強，使平衡正向移動，有利于合成氨，符合平衡移動原理；C項，因為合成氨是一個放熱反應(yīng)，所以從化學(xué)平衡移動角度分析，應(yīng)采用較低溫度，500 ℃高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動，采用500 ℃既考慮到溫度對速率的影響，更主要的是500 ℃左右催化劑活性最大；D項，恒溫恒容下充入He，He不與N2、H2、NH3反應(yīng)，雖總壓強增大了，實際上平衡體系各成分濃度不變，平衡不移動，NH3的產(chǎn)量不變。 3．某條件下合成氨反應(yīng)達(dá)平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，若反應(yīng)前后條件保持不變，則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物的體積之比是(　　) A.　　　　　　　　　　 B

16、. C. D. 解析：選A　設(shè)起始時H2為a mol、N2為b mol，平衡時NH3為x mol，則 　　　　　　3H2 ＋ N2  2NH3 起始(mol): a b 0 平衡(mol)：　　a－ b－ x 依題意可得：×100%＝25% 化簡得：＝ 解得：＝，即反應(yīng)后縮小的氣體的物質(zhì)的量與原反應(yīng)物的總物質(zhì)的量之比為。根據(jù)相同條件下，體積之比等于物質(zhì)的量之比，反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物的體積之比為。 4．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，錯誤的是(　　) 解析：選C　合成氨的正反應(yīng)是

17、放熱反應(yīng)，升高溫度正、逆反應(yīng)速率都增大，但逆反應(yīng)速率增大的程度大，A正確；在T1時φ(NH3)最大，達(dá)到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動，φ(NH3)減小，B正確，C錯誤；增大壓強，平衡正向移動，φ(NH3)增大，D正確。 5．合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的放熱反應(yīng)。合成氨工業(yè)的生產(chǎn)流程如圖所示。 下列關(guān)于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是(　　) A．將混合氣體進(jìn)行循環(huán)利用符合綠色化學(xué)思想 B．合成氨反應(yīng)需在低溫下進(jìn)行 C．對原料氣進(jìn)行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率 D．使用催化劑可以提高反應(yīng)速率，但不能使平衡向正反應(yīng)方向移動 解析：選B　混合氣的循環(huán)利用可以提高原料的利用率

18、，減少污染和浪費，符合綠色化學(xué)思想，A項正確；低溫有利于提高原料的轉(zhuǎn)化率，但不利于提高反應(yīng)速率和催化劑發(fā)揮催化作用，故合成氨不采用低溫條件，B項錯誤；增大壓強，平衡正向移動，提高了原料的轉(zhuǎn)化率，C項正確；催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能使平衡發(fā)生移動，D項正確。 6．合成氨所需的氫氣可用煤和水作原料經(jīng)多步反應(yīng)制得，其中的一步反應(yīng)為： CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0 反應(yīng)達(dá)到平衡后，為提高CO的轉(zhuǎn)化率，下列措施中正確的是(　　) A．增加壓強　　　　　　 B．降低溫度 C．增大CO的濃度 D．更換催化劑 解析：選B　選項A，該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相等的

19、反應(yīng)，壓強對CO的轉(zhuǎn)化率無影響；選項B，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度有利于化學(xué)平衡向右移動，提高CO的轉(zhuǎn)化率；增大CO的濃度會降低CO的轉(zhuǎn)化率；選項D，更換催化劑不能使化學(xué)平衡發(fā)生 移動。 7.對于密閉容器中的反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，在673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是(　　) A．a(chǎn)點的正反應(yīng)速率比b點的大 B．c點處反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài) C．d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)不一樣 D．其他條件不變，溫度為773 K時反應(yīng)至t1時刻，n(H2)比圖中d點的值小 解析：選A　由

20、圖可以看出，N2和H2反應(yīng)生成氨氣，開始時正反應(yīng)速率最大，A項正確；c點時H2和NH3的物質(zhì)的量相等，但二者的含量還在變化，沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，B項錯誤；t1時反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)相同，C項錯誤；773 K高于673 K，升溫后平衡逆向移動，t1時刻n(H2)在773 K時比673 K時的多，D項錯誤。 8.在反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡體系中，當(dāng)恒溫恒壓條件下t1時刻分離出NH3時，下列說法正確的是(　　) A．t1時刻后的速率變化如圖所示 B．t1時刻后達(dá)到新平衡前Q>K C．新平衡體系中NH3的含量增

21、大 D．N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大 解析：選D　分離出NH3，使體系中NH3的含量減小，則達(dá)到新平衡前Qv(逆)，平衡向正反應(yīng)方向移動，故N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大。 9．工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反應(yīng)過程中的能量變化如圖所示，據(jù)圖回答下列問題： (1)該反應(yīng)通常用活性鐵作催化劑，加活性鐵會使圖中B點____________(填“升高”或“降低”)，理由是______________________________________________________。 (2)450 ℃時該反應(yīng)的平衡常數(shù)________500 ℃時的平衡常數(shù)(填“<”“>

22、”或“＝”)。 (3)一定條件下的密閉容器中，該反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高H2的轉(zhuǎn)化率，可以采取的合理措施有________(填字母代號)。 a．高溫高壓　　b．加入催化劑　　c．增加N2的濃度　d．增加H2的濃度　　e．分離出NH3 解析：(1)催化劑能降低反應(yīng)的活化能；(2)該反應(yīng)正向為放熱反應(yīng)，低溫有利于平衡正向移動，450 ℃時反應(yīng)正向進(jìn)行的程度大，即450 ℃對應(yīng)的平衡常數(shù)K大；(3)高溫使化學(xué)平衡逆向移動，H2轉(zhuǎn)化率降低，a不合理；催化劑對平衡無影響，b不合理；增加N2的濃度可以提高H2的轉(zhuǎn)化率，c可以；d降低H2的轉(zhuǎn)化率；分離出NH3，有利于平衡右移，e可以。 答案：(1)

23、降低　催化劑能降低反應(yīng)活化能 (2)>　(3)ce 10．工業(yè)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)見下表 氣體 氮氣 氫氣 氨 熔點/℃ －210.01 －259.77 －77.74 沸點/℃ －195.79 －252.23 －33.42 回答下列問題： (1)寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K＝________。隨著溫度的升高，K值____________(填“增大”“減小”或“不變”)。 (2)K值越大，表明____

24、____(填字母)。 A．其他條件相同時N2的轉(zhuǎn)化率越高 B．其他條件相同時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)后通過把混合氣體的溫度降低到________使________分離出來；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)可知，K＝，此反應(yīng)ΔH<0，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，即向左移動，[NH3]減小，[N2]和[H2]增大，故K減小。(2)K值越大，說明[NH3]越大，[N2]和[H2]就越小，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度大，故其他條件相同時N2的轉(zhuǎn)化率越高，NH3的產(chǎn)率越大。(3)根據(jù)物質(zhì)的熔、沸點可知，氨氣容易液化，使其分離可使平衡正向移動，剩余N2和H2循環(huán)使用，以提高產(chǎn)率。 答案：(1)　減小　(2)A、B (3)－33.42 ℃　氨　N2和H2