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

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2019-2020年高中化學 2.4《化學反應條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》課堂鞏固訓練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．加快反應速率　　　　　 B．提高NH3的平衡濃度 C．降低NH3的沸點 D．提高N2和H2的利用率 解析：選D。合成氨是可逆反應，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適當提高氨的合成速率?、谔岣逪2的轉化率　③提高氨的產率?、艽呋瘎┰?00 K時活性最大 A．只有① B．①② C．②③④ D．①④ 解析：選D。從影響化學反應速率和催化劑的活性兩方面考慮。 3．有關合成氨工業(yè)的說法中，正確的是(　　) A．從合成塔出來的混合氣體，其中NH3只占15%，所以生產氨的工廠的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在實際生產中是循環(huán)使用，所以總體來說氨的產率很高 C．合成氨工業(yè)的反應溫度控制在500 ℃，目的是使化學平衡向正反應方向移動 D．合成氨廠采用的壓強是2107～5107 Pa，因為該壓強下鐵觸煤的活性最大 解析：選B。合成氨的反應在適宜的生產條件下達到平衡時，原料的轉化率并不高，但生成的NH3分離出后，再將未反應的N2、H2循環(huán)利用，這樣處理后，可使氨的產率較高，據此可知A項錯誤，B項正確；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。因合成氨的反應是放熱反應，低溫才有利于平衡向正反應方向移動，故C項錯誤；不論從反應速率還是化學平衡考慮，高壓更有利于合氨，但壓強太大，對設備、動力的要求更高，基于此選擇了20 MPa～50 MPa的高壓，催化劑活性最大時的溫度是500 ℃，故D項錯誤。 4．在N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0的平衡體系中，當分離出NH3時，下列說法正確的是(　　) A．平衡正向移動 B．平衡逆向移動 C．平衡體系中NH3的含量增大 D．N2的平衡轉化率降低 解析：選A。降低產物濃度，平衡正向移動，反應物的轉化率提高。 5．對于可逆反應N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反應為放熱反應)，下列說法中正確的是(　　) A．達到平衡后加入N2，當重新達到平衡時，NH3的濃度比原平衡的大，N2的濃度比原平衡的小 B．達到平衡后，升高溫度，既加快了正、逆反應速率，又提高了NH3的產率 C．達到平衡后，縮小容器體積，既有利于加快正、逆反應速率，又有利于提高氫氣的轉化率 D．加入催化劑可以縮短達到平衡的時間，是因為正反應速率增大，逆反應速率減小 解析：選C。達到平衡后，加入N2，平衡將正向移動，達到新平衡后，NH3的濃度會增大，而N2的濃度比原平衡的大；達到平衡后，升高溫度，正、逆反應速率都增大，但平衡逆向移動，不利于NH3的生成；達到平衡后，縮小容器體積即增大壓強，正、逆反應速率都增大，平衡正向移動，有利于提高H2的轉化率；加入催化劑，能同等程度地增大正、逆反應速率，縮短反應達到平衡的時間。 6．在合成氨時，既要使氨的產率增大，又要使化學反應速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大體積使壓強減小?、跍p小體積使壓強增大?、凵邷囟取、芙档蜏囟取、莺銣睾闳荩俪淙氲攘康腘2和H2?、藓銣睾銐?，再充入等量的N2和H2?、呒皶r分離產生的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，產率降低，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；⑤相當于加壓，正確，⑥錯；⑦反應速率變慢；⑧對平衡無影響。 7．(xx高考上海理科綜合能力測試)1913年德國化學家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉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方向移動，②、④正確；將原料氣循環(huán)利用也可提高原料的轉化率，⑤正確。 8．(xx濟南高二調研)工業(yè)合成氨的正反應是放熱反應，下列關于N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)反應的圖像中，錯誤的是(　　) 解析：選C。合成氨的正反應是放熱反應，升溫，正、逆反應速率都增大，但逆反應增大的程度大，A正確；在T1時NH3%最大，達到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動，NH3%減小，B正確；低溫下達到平衡，NH3的含量大，C錯誤；增大壓強，平衡向右移動，NH3%增大，D正確。 9．在一定條件下，合成氨反應達到平衡后，混合氣體中NH3的體積分數為25%。若反應前后保持條件不變，則反應后縮小的氣體體積與原反應物體積的比值是(　　) A．1/5 B．1/4 C．1/3 D．1/2 解析：選A。設平衡后混合氣體的體積為100 mL，則其中氨的體積為25mL。由反應的化學方程式N2＋3H22NH3可以看出，每生成2體積的NH3，反應體系的總體積也縮小2體積，從而推知，反應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，則反應前的氣體體積為100 mL＋25 mL＝125 mL。反應后縮小的氣體體積與原反應物體積的比值是25∶125＝1/5，即選項A正確。 10. 合成氨工業(yè)對化學工業(yè)和國防工業(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，生產流程如圖所示。 (1)X的化學式為__________。 (2)如圖中條件選定的主要原因是(選填字母)__________。 A．升高溫度、增大壓強均有利于氨的合成 B．鐵在該溫度時活性最大 C．工業(yè)生產受動力、材料、設備等條件的限制 (3)改變反應條件，會使平衡發(fā)生移動。 如圖表示隨條件改變，產物中氨氣的百分含量的變化趨勢。 當橫坐標為壓強時，變化趨勢正確的是(填字母)__________。 當橫坐標為溫度時，變化趨勢正確的是(填字母)__________。 解析：(1)由合成塔中合成的流程標識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，壓強影響到設備、材料等。 (3)增大壓強，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，采用氮氣和氫氣1∶2.8的物質的量之比進入合成塔。從合成塔出來的混合氣體中，氨氣占體積的15%。為使氮氣和氫氣得到充分利用，工業(yè)上采用將氨氣分離向剩余反應物中不斷補充新鮮的原料氣使氮氣和氫氣的物質的量之比仍為1∶2.8，并將其重新充入合成塔的方法來合成氨。 (1)不用計算，說出H2、N2平衡轉化率較大的是__________________________。 (2)從合成塔出來的氣體__________(填“<”、“>”或“＝”)。 (3)采用相同溫度、相同壓強，若初始n(N2)∶n(H2)＝1∶3，則氨氣的體積分數__________15%(填“<”、“>”或“＝”)。 (4)計算氮氣和氫氣以1∶2.8的物質的量之比反應時H2、N2的平衡轉化率__________________________。 解析：很明顯，當反應物按照化學方程式中的系數之比加入時，各物質的轉化率相同，生成物的體積分數最大。當不按照反應的系數比加入時，比例變小的轉化率高，平衡時所占比例會更小。 假設加入氮氣和氫氣分別為1 mol、2.8 mol，反應的氮氣的物質的量為x mol，則 　　　　　　　3H2?。22NH3 初始物質的量/mol 2.8 1 0 轉化物質的量/mol 3x x 2x 平衡物質的量/mol 2.8－3x 1－x 2x 100%＝15% x＝0.248 N2的平衡轉化率為100%＝24.8% H2的平衡轉化率為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，化學方程式及對應的平衡常數如下： ①Fe(s)＋CO2(g) FeO(s)＋CO(g)　K′c ②Fe(s)＋H2O(g) FeO(s)＋H2(g)　K″c 請回答下列各題： (1)反應①的平衡常數K′c的表達式為__________________________ __________________________。 (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①的正反應是__________(填“吸熱”或“放熱”，下同)反應，反應②的正反應是__________反應。 b．現有可逆反應③：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)，其正反應的焓變ΔH__________(填“>”或“<”)0。 (3)要使反應③在一定條件下建立的平衡向正反應方向移動，可采取的措施為__________(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：由表中數據知：反應①隨溫度升高，K′增大，說明反應①為吸熱反應；同理知反應②為放熱反應。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石嘴山高二競賽考試)科學家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。 (1)目前合成氨技術原理為：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJmol－1。 ①673 K,30 MPa下，上述合成氨反應中n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關系如圖所示。下列敘述正確的是__________。 A．點a的正反應速率比點b的大 B．點c處反應達到平衡 C．點d和點e處的n(N2)相同 D．773 K,30 MPa下，t2時刻也是該反應的平衡點，則n(NH3)比圖中e點的值大 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)，反應在673 K、30 MPa下進行，達到平衡時，NH3的體積分數為20%。該條件下反應N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)的平衡常數K＝__________。 (2) 希臘亞里斯多德大學的兩位科學家曾采用高質子導電性的SCY陶瓷(能傳遞H＋)，實現了高溫常壓下高轉化率的電解合成氨。其實驗裝置如圖。陰極的電極反應式為______________________。 (3)根據最新“人工固氮”的研究報道，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： N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝a kJmol－1 進一步研究NH3生成量與溫度的關系，常壓下達到平衡時測得部分實驗數據如下表： 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兩點均未達到平衡，正反應速率大于逆反應速率，且正反應速率逐漸減小，逆反應速率逐漸增大，則點a的正反應速率比點b的大；點c處，c(H2)＝c(NH3)，相等并不是不變，此點未達到平衡；點d(t1時刻)和點e(t2時刻)處都是處在平衡狀態(tài)，n(N2)或c(N2)不變；溫度升高，合成氨的可逆反應平衡逆向移動，n(H2)或c(H2)增大，n(NH3)減小。 ②設在反應過程中N2的物質的量的變化為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失電子之后傳導過來的H＋結合生成NH3，即陰極反應式為N2＋6H＋＋6e－===2NH3。 (3)①溫度升高，NH3的生成量增多，平衡右移，故正反應吸熱，ΔH>0，即a>0；由于原反應中反應后氣體的物質的量增大，故ΔS>0。 ②第1個反應減去第二個反應的倍可得： N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g)　ΔH＝＋765.2 kJmol－1。 答案：(1)①AC　② mol－2L2(或1.07 mol－2L2或1.1 mol－2L2) (2)N2＋6H＋＋6e－===2NH3 (3)①>　>?、冢?65.2