高二《化學反應原理》PAGEPAGE1第4節化學反應條件的優化——工業合成氨題組一合成氨反應適宜條件的選擇1．1913年德國化學家哈伯發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。下列所示是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④[答案]B[解析]②④⑤操作均有利于合成氨的化學平衡向右移動，提高轉化率?？键c合成氨反應的限度、速率分析題點增大合成氨反應限度的措施2．在合成氨工業中，為增加NH3的日產量，實施下列目的的變化過程中與平衡移動無關的是()A．不斷將氨分離出來B．使用催化劑C．采用700K左右的高溫而不是900K的高溫D．采用2×107～5×107Pa的壓強[答案]B[解析]把氨分離出來是減小生成物濃度，有利于平衡右移；合成氨反應是放熱反應，相對較低溫度(700K)利于反應向右進行，同時該反應是氣體物質的量減小的反應，盡可能采取高壓利于正反應的進行，A、C、D都符合平衡移動原理，而使用催化劑僅是為增大反應速率，與平衡無關。考點合成氨反應的限度、速率分析題點增大合成氨反應限度的措施3．下列有關合成氨工業的說法中，正確的是()A．從合成塔出來的混合氣體中，其中NH3只占15%，所以合成氨廠的產率都很低B．由于氨易液化，N2、H2在實際生產中可循環使用，所以總體來說合成氨的產率很高C．合成氨工業的反應溫度控制在700K左右，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越大，產率越高，無需考慮設備、條件[答案]B[解析]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循環利用，這樣處理后，可使氨的產率較高，A項錯誤、B項正確；合成氨工業選擇700K左右的溫度，主要從反應速率和催化劑活性兩方面考慮，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，C項錯誤；不論從反應速率還是化學平衡考慮，高壓更有利于合成氨，但壓強太大，對設備、動力的要求更高，因此選擇20～50MPa，D項錯誤。考點工業合成氨適宜條件的選擇題點工業合成氨適宜條件的理論解釋4．下列有關合成氨工業的說法中正確的是()A．鐵做催化劑可加快反應速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動B．升高溫度可以加快反應速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動C．增大壓強能縮短到達平衡狀態所用的時間D．合成氨采用的壓強是2×107～5×107Pa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最高[答案]C[解析]催化劑可以改變反應速率，但不能使平衡移動，只能縮短反應達到平衡所需的時間，A項錯誤；升高溫度可以加快反應速率，但合成氨反應是放熱反應，因此升高溫度不利于化學平衡向合成氨的方向移動，B項錯誤；增大壓強加快反應速率，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?？键c工業合成氨適宜條件的選擇題點工業合成氨適宜條件選擇的理論解釋題組二化工生產適宜條件的選擇5．合成氨廠所需H2可由焦炭與水反應制得，其中有一步反應為CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是()①降低溫度②增大壓強③使用催化劑④增大CO的濃度⑤增大水蒸氣的濃度A．①②③B．④⑤C．①⑤D．⑤[答案]C[解析]增大壓強，平衡不移動；增大CO濃度，平衡向右移動，但CO轉化率降低；使用催化劑，平衡不移動，CO轉化率不變；降低溫度或增大水蒸氣濃度，平衡均向右移動，CO轉化率增大?？键c工業合成氨適宜條件的選擇題點工業合成氨適宜條件選擇的遷移應用6．據報道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氫氣合成乙醇已成為現實：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)下列敘述錯誤的是()A．使用Cu-Zn-Fe催化劑可大大提高生產效率B．反應需在300℃下進行可推測該反應是吸熱反應C．充入大量CO2氣體可提高H2的轉化率D．從平衡混合氣體中分離出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率[答案]B[解析]B項，加熱可以加快化學反應速率，放熱反應也可能在加熱條件下進行，故不正確?？键c工業合成氨適宜條件的選擇題點工業合成氨適宜條件選擇的遷移應用題組三合成氨反應的圖像題7．某密閉容器中發生如下反應：N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3(g)ΔH<0。下圖表示該反應的速率(v)隨時間(t)變化的關系，t2、t3、t5時刻外界條件有所改變，但都沒有改變各物質的初始加入量。下列說法中正確的是()A．t2時加入催化劑B．t3時降低了溫度C．t5時增大了壓強D．t4～t5時間內轉化率一定最低[答案]A[解析]合成氨反應前后氣體物質的量減小，t2后反應速率增大，但平衡沒有移動，說明t2時刻改變的條件是加入了催化劑，化學平衡不移動；t3時刻應是減小壓強，化學平衡向左移動；t5時刻應是升高溫度，化學平衡向左移動；所以t6以后轉化率最低?？键c合成氨反應的限度、速率分析題點合成氨反應的圖像分析8．合成氨工業對國民經濟和社會發展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)隨時間的變化關系如圖所示。下列說法正確的是()A．c點處反應達到平衡B．d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)不同C．其他條件不變，773K下反應至t1時刻，n(H2)比圖中的d點的值要大D．a點的正反應速率比b點的小[答案]C[解析]A項，c點是氫氣和氨氣物質的量相等的點，該點以后，氫氣的量還在減少，氨氣的量還在增加，故c點沒有達到平衡，A項錯誤；B項，t1和t2兩個時刻反應均處于平衡狀態，體系中各物質的物質的量不再變化，故d、e兩點氮氣的物質的量相等，B項錯誤；C項，773K>673K，工業合成氨為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，氫氣的物質的量增大，C項正確；D項，反應達到平衡前，a點反應物濃度大于b點，因此a點的正反應速率比b點的大，D項錯誤?？键c合成氨反應的限度、速率分析題點合成氨反應的圖像分析9．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．改變條件后速率—時間圖像如右圖B．此過程中Q>KC．平衡體系中NH3的含量增大D．N2的轉化率增大[答案]D[解析]分離出NH3，Q<K，v正>v逆，使平衡向正反應方向移動，N2的轉化率增大，由于分離出NH3，使體系中NH3的含量減小。考點合成氨反應的限度、速率分析題點合成氨反應的圖像分析10．某溫度下，對于反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。N2的平衡轉化率(α)與體系總壓強(p)的關系如圖所示。下列說法正確的是()A．將1mol氮氣、3mol氫氣，置于1L密閉容器中發生反應，放出的熱量為92.4kJB．平衡狀態由A變為B時，平衡常數K(A)<K(B)C．上述反應在達到平衡后，增大壓強，H2的轉化率增大D．升高溫度，平衡常數K增大[答案]C[解析]該反應為可逆反應，加入的1molN2和3molH2不可能完全反應生成NH3，所以反應放出的熱量小于92.4kJ，A項錯誤；從狀態A到狀態B，改變的是壓強，溫度未發生變化，所以平衡常數不變，B項錯誤；該反應是反應前后氣體分子數減小的反應，增大壓強平衡向正反應方向移動，H2的轉化率增大，C項正確；升高溫度，平衡逆向移動，K減小，D項錯誤?？键c合成氨反應的限度、速率分析題點合成氨反應的圖像分析題組四合成氨轉化率與反應速率的比較11．(2018·濟南質檢)一定溫度下，在恒壓容器a和恒容容器b中，分別充入體積比為1∶3的N2和H2。開始時兩容器的體積相同，則達到平衡時兩容器中N2的轉化率()A．a中大 B．b中大C．a、b中一樣大 D．無法判斷[答案]A[解析]由題給信息可知，容器a中的反應與容器b中的反應相比，相當于增大壓強，則平衡正向移動，因此平衡時容器a中N2的轉化率大于容器b中N2的轉化率?？键c合成氨反應的限度、速率題點合成氨反應轉化率計算12．(2018·福州檢測)相同溫度下，有體積相同的甲、乙兩個容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分別進行合成氨反應。下列敘述中錯誤的是()A．化學反應速率：乙>甲B．平衡后N2的濃度：乙>甲C．H2的平衡轉化率：乙>甲D．平衡混合氣體中H2的體積分數：乙>甲[答案]D[解析]因為乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A項正確；假設開始時乙容器的體積是甲的2倍(如圖甲、虛擬乙)，再將虛擬乙容器的體積壓縮至與甲相等(如圖乙)，則在此過程中化學平衡要向正反應方向移動，即N2、H2的平衡轉化率增大，它們在平衡混合氣體中的體積分數減小，故C項正確、D項錯誤；平衡時，乙中N2、H2、NH3的濃度分別比甲中N2、H2、NH3濃度大，但乙中N2、H2的濃度要分別小于甲中N2、H2濃度的2倍，而乙中NH3的濃度要大于甲中NH3濃度的2倍，故B項正確?？键c合成氨反應的限度、速率題點合成氨反應轉化率等的分析比較13．在容積相同的密閉容器中，分別充入等量的氮氣和氫氣，在不同溫度下發生反應：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分別在不同的時間內測定其中NH3的質量分數(y軸所表示的)，繪成圖像如圖所示，請回答下列問題：(1)A、B、C、D、E五點中，肯定未達平衡的點是________________________________________。(2)此可逆反應的正反應是________熱反應。(3)AC曲線是增函數曲線，CE曲線是減函數曲線，試從化學反應速率和化學平衡的角度分析，并說明理由：_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[答案](1)A點、B點(2)放(3)AC曲線是增函數曲線，溫度升高，反應速率加快，生成NH3的質量分數增大；CE曲線是減函數曲線，此反應的正反應是放熱反應，達到平衡后，溫度升高，平衡向逆反應方向移動，NH3的質量分數降低[解析](1)從圖像中看出C點時，NH3的質量分數最高，說明A、B兩點均未達到平衡。(2)達到平衡(C點)后，升高溫度，NH3的質量分數降低，說明此反應的正反應放熱。考點合成氨反應的限度、速率題點合成氨反應的圖像分析14．如圖表示298.15K時，N2、H2與NH3的平均能量與合成氨反應的活化能的曲線圖，據圖回答下列問題：(1)若反應中生成2mol氨，則反應________(填“吸熱”或“放熱”)________kJ。(2)圖中曲線________(填“a”或“b”)表示加入鐵觸媒的能量變化曲線，鐵觸媒能加快反應速率的原理是______________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)合成氨反應中平衡混合物中氨氣的體積分數與壓強、溫度的關系如圖所示。若曲線a對應的溫度為500℃，則曲線b對應的溫度可能是________(填字母)。A．600℃ B．550℃C．500℃ D．450℃(4)合成氨所需的氫氣可由甲烷與水反應制備。發生反應為CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)ΔH>0。一定溫度下，在1L容器中發生上述反應，各物質的物質的量濃度變化如下表：t/minCH4/mol·L－1H2O/mol·L－1CO/mol·L－1H2/mol·L－100.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.33①表中x＝________mol·L－1；前2min內CH4的平均反應速率為______________。②反應在3～4min之間，氫氣的物質的量增多的原因可能是________(填字母)。A．充入水蒸氣 B．升高溫度C．使用催化劑 D．充入氫氣[答案](1)放熱92(2)b改變了反應的歷程，降低了合成氨反應的活化能(3)D(4)①0.110.05mol·L－1·min－1②B[解析](1)由圖中能量狀態可知N2與3H2具有的總能量高于2NH3所具有的能量，故該反應為放熱反應，并且反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每生成2molNH3放出(600－508)kJ＝92kJ熱量。(2)合成氨反應中，加入鐵觸媒后，由于改變了反應歷程，使反應的活化能降低，從而加快了反應速率，故曲線b代表加催化劑后的能量變化曲線。(3)對于合成氨反應，當其他條件不變時，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，平衡混合物中NH3的體積分數降低。圖像中，當壓強不變時，曲線b對應的溫度下平衡混合物中NH3的體積分數大于曲線a對應的NH3的體積分數，所以曲線b對應的溫度低于曲線a對應的溫度。(4)①前2min內CH4的反應速率為v(CH4)＝eq\f(1,3)v(H2)＝eq\f(1,3)×eq\f(0.3mol·L－1,2min)＝0.05mol·L－1·min－1。由表分析2～3min時，反應達到平衡狀態，此時生成H2的濃度為0.3mol·L－1。CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)起始濃度mol·L－10.20.300轉化濃度mol·L－10.10.10.1

0.32和3min濃度(mol·L－1)

0.10.20.1

0.33～4min轉化濃度mol·L－10.010.010.01

0.034min時濃度mol·L－10.090.190.110.33所以x＝0.11mol·L－1。②3min時，若充入水蒸氣，平衡向右移動，4min時，水蒸氣濃度應大于0.2mol·L－1；若升高溫度，平衡向右移動，反應物濃度均減小，生成物濃度均增加，而且變化量正好等于化學方程式系數比，該條件符合要求；使用催化劑，平衡不移動；充入H2，平衡向左移動，生成物濃度均多于2min時的濃度。15．科學家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。曾有實驗報道：在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑(摻有少量Fe2O3的TiO2)表面與水發生反應，生成的主要產物為NH3。進一步研究NH3生成量與溫度的關系，部分實驗數據見下表(光照、N2壓強1.0×105Pa、反應時間3h)：T/K303313323353NH3生成量/×10－6mol4.85.96.02.0相應的熱化學方程式如下：N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋eq\f(3,2)O2(g)ΔH＝765.2kJ·mol－1回答下列問題：(1)與目前廣泛使用的工業合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率慢。請提出可提高其反應速率且增大NH3生成量的建議：________________________________________________。(2)工業合成氨的反應為N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3(g)。設在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g)，反應在一定條件下達到平衡時，NH3的物質的量分數(NH3