1、化学反应条件的优化工业合成氨 (40分钟70分)一、选择题(本题包括8小题,每小题5分,共40分)1.(2020顺义区高二检测)1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是()A.B.C.D.【解析】选B。合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动,正确;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,正确。2.(2020黄山高二检测)将N2和H2的混合气体通入合成塔中,反应1小时达到平衡以后,N2、H2、NH3的浓度分别
2、为3 molL-1、7 molL-1、4 molL-1,则下列结果不正确的是()A.v(H2)始=7 molL-1h-1B.c0(H2)=13 molL-1C.c0(N2)=5 molL-1D.H2的转化率为46.2 %【解析】选A。由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后为4 molL-1,说明转化了4 molL-1,则由化学计量数关系知N2消耗了2 molL-1,H2消耗了6 molL-1,所以c0(H2)=13 molL-1,c0(N2)=5 molL-1,H2的转化率为100 %46.2 %。3.(2020泰安高二检测)在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,实施下列目的的变化过程中与平衡
3、移动无关的是()A.不断将氨分离出来B.使用催化剂C.采用700 K左右的高温而不是900 K的高温D.采用21075107 Pa的压强【解析】选B。把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,相对较低温度(700 K)利于反应向右进行,同时该反应是气体物质的量减小的反应,尽可能采取高压利于正反应的进行,A、C、D都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为增大反应速率,与平衡无关。4.对于合成氨的反应来说,使用催化剂或施加高压,下列叙述中正确的是 ()A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状
4、态所用的时间,只有压强对化学平衡状态有影响D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而压强无此作用【解析】选C。对于化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化剂只能降低反应所需活化能,增大反应速率,缩短达到平衡状态所用时间,不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率,使反应达到平衡状态所用时间缩短,也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。5.(2020哈尔滨高二检测)合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得,其中有一步反应为CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H0。欲提高CO的利用率,可采用的方法是()降低温度增大压强使用催化剂增大CO的浓度增大水蒸气的浓度A.B.C.D.【
5、解析】选C。增大压强,平衡不移动;增大CO浓度,平衡向右移动,但CO转化率降低;使用催化剂,平衡不移动,CO转化率不变;降低温度或增大水蒸气浓度,平衡均向右移动,CO转化率增大。【补偿训练】(2020苏州高二检测)对于合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)Hp2,由p1p2,减小压强,化学平衡左移,NH3的体积分数应降低,错误;B项,由于此反应H0,故升温平衡左移,N2的转化率降低,错误;C项,增大N2的量,会使正反应速率增大,使化学平衡右移,正确;D项,使用催化剂,能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,错误。6.(2020青岛高二检测)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对
6、于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H673 K,工业合成氨为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,氢气的物质的量增大,正确;D项,反应达到平衡前,a点反应物浓度大于b点,因此a点的正反应速率比b点的大,错误。7.某温度下,对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1。N2的平衡转化率()与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是()A.将1 mol氮气、3 mol氢气,置于1 L密闭容器中发生反应,放出的热量为92.2 kJB.平衡状态由A变为B时,平衡常数K(A)p2)下达到平衡时,混合气体中氨的体积分数a %随温度和压强的变化曲线正
7、确的是()【解析】选A。合成氨反应的正反应是放热反应,且是气体体积减小的反应。随温度升高,a %减小;随压强增大,a %增大,A选项图象符合。8.(2020郑州高二检测)在密闭容器内,N2、H2起始的物质的量分别为10 mol、30 mol,达到平衡时N2的转化率为25 %。若从NH3开始,在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相同,则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为()A.15 mol和25 %B.20 mol和50 %C.20 mol和75 %D.40 mol和50 %【解析】选C。以N2、H2为起始时,N2为10 mol,H2为30 mol,要以NH3开始反应,并且平衡时百
8、分含量与前者相同,取NH3的量必须是20 mol。设以NH3开始反应时,氨转化的物质的量为x,那么有20 mol-x=210 mol25%,x=15 mol,氨的转化率:100 %=75 %。【补偿训练】1.(2020济南高二检测)在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积占25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体的体积与原反应物体积的比值是()A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2【解析】选A。设平衡后混合气体的体积为100 L,则NH3的体积为25 L,由N2+3H22NH3知,反应前后气体体积差为2,则缩小的气体体积为25 L,反应前的气体体积为100 L+2
9、5 L=125 L,则缩小的气体体积与原反应物体积的比值是=。2.(2020肇庆高二检测)一定条件下,通过下列反应可实现燃煤烟气中的硫的回收:SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l)H0。一定温度下,在容积为2 L的恒容密闭容器中1 mol SO2和n mol CO发生反应,5 min后达到平衡,生成2a mol CO2。下列说法正确的是()A.反应前2 min的平均速率v(SO2)=0.1a molL-1min-1B.当混合气体的物质的量不再改变时,反应达到平衡状态C.平衡后保持其他条件不变,从容器中分离出部分硫,平衡向正反应方向移动D.平衡后保持其他条件不变,升高温度或加入催化剂
10、,SO2的转化率均增大【解析】选B。根据方程式可知,生成2a mol CO2的同时,消耗a mol SO2,其浓度是0.5a molL-1,所以反应前5 min的平均速率v(SO2)=0.5a molL-15 min=0.1a molL-1min-1,故前2 min的平均速率大于0.1a molL-1min-1,A不正确;根据方程式可知,该反应是反应前后气体的物质的量减小的可逆反应,因此当混合气体的物质的量不再改变时,可以说明反应达到平衡状态,B正确;S是液体,改变液体的质量,平衡不移动,C不正确;该反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,SO2的转化率降低,催化剂不能改变平衡状态,转化
11、率不变,D不正确。二、非选择题(本题包括2小题,共30分)9.(15分)工业上合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1。(1)在绝热、容积固定的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),下列说法能说明上述反应向正反应方向进行的是_(填序号)。 世纪金榜导学号单位时间内生成2n mol NH3的同时生成3n mol H2单位时间内生成6n mol NH键的同时生成2n mol HH键用N2、H2、NH3的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为132混合气体的平均摩尔质量增大容器内的气体密度不变(2)某温度下,合成氨反应在容积为2 L的密闭
12、容器中进行,测得如下数据:时间/h物质的量/mol01234N21.50n11.20n31.00H24.504.203.60n43.00NH300.20n21.001.00根据表中数据计算:反应进行到2 h时放出的热量为_kJ。 01 h内N2的平均反应速率为_molL-1h-1。此温度下该反应的化学平衡常数K=_(保留两位小数)。 反应达到平衡后,若往平衡体系中再加入N2、H2和NH3各1.00 mol,化学平衡将_(填“正”或“逆”)向移动。 【解析】(1)所述反应达到平衡状态;生成2 mol NH3的同时生成2 mol H2,正反应速率大于逆反应速率,反应正向进行;无论是正向进行还是逆向
13、进行,N2、H2、NH3的速率之比总是132,无法判断;混合气体的平均摩尔质量增大,说明气体的物质的量减小,反应正向进行;因为容积固定,所以密度始终保持不变。(2)2 h时消耗N2的物质的量为1.50 mol-1.20 mol=0.30 mol,由热化学方程式可知,该反应放出的热量为92.2 kJmol-10.30 mol=27.66 kJ。v(N2)=v(NH3)=0.05 molL-1h-1。由表中数据可知,第3、4 h时反应已达到平衡状态,故N2、H2、NH3的平衡浓度分别为0.50 molL-1、1.50 molL-1、0.50 molL-1,故平衡常数K=0.15(molL-1)-2
14、。向平衡体系中再加入N2、H2、NH3各1.00 mol后,平衡发生移动前,N2、H2、NH3的浓度分别为1.00 molL-1、2.00 molL-1、1.00 molL-1,此时Q=K,故平衡正向移动。答案:(1)(2)27.660.050.15 (molL-1)-2正10.(15分)(2020衡水高二检测)在一容积为2 L的密闭容器中,加入0.2 mol N2和0.6 mol H2,在一定条件下发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H”“=”或“ (20分钟30分)一、选择题(本题包括1小题,共10分)11.(2020启东高二检测)已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H
15、=-92.4 kJmol-1。在相同温度下,相同容积的恒容容器中,实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:容器编号起始时各物质的物质的量/mol达到平衡时体系能量的变化平衡时氨气的体积分数N2H2NH3130放出热量23.15 kJW10.92.70.2放出热量QW2下列判断正确的是()A.W1W2,Q23.15 kJB.W1=W2,Q=23.15 kJC.W123.15 kJD.W1=W2,QQ。【补偿训练】(2020济南高二检测)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。哈伯法合成氨需要在2050MPa的高压和500 左右的高温下,并用铁触媒作为催化剂,氨在平衡混合物中的含量仍较少。最近
16、英国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为trans-Fe(DMeOPrPE)2的新催化剂,在常温下合成氨,反应方程式可表示为N2+3H22NH3。有关说法正确的是()A.哈伯法合成氨是吸热反应,新法合成氨是放热反应B.新法合成氨不需要在高温条件下,可节约大量能源,具有发展前景C.新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键D.新催化剂降低了反应所需要的能量,使平衡正向移动【解析】选B。哈伯法合成氨和新法合成氨都是放热反应,使用催化剂不会改变反应热,A错误;题目给出信息“在常温下合成氨”,所以不需要在高温条件下,可节约大量能源,具有发展前景,B正确;任何化学反应都涉及旧键的断裂和新键的生成,C错误
17、;新催化剂降低了反应所需要的能量,但是不改变平衡的移动,D错误。二、非选择题(本题包括1小题,共20分)12.(2020闵行高二检测)SNCR-SCR是一种新型的烟气脱硝技术(除去烟气中的NOx),其流程如下:世纪金榜导学号该方法中主要反应的热化学方程式为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)H=-1 646 kJmol-1,如图所示,反应温度会直接影响SNCR技术的脱硝效率。回答下列问题:(1)SNCR技术脱硝的最佳温度选择925 的理由是_。(2)SNCR与SCR技术相比,SNCR技术的反应温度较高,其原因是_;但当烟气温度高于1 000 时,SNCR脱硝效率明显降低,其原因可能是_。【解析】(1)根据图象,在925 时脱硝效率高,残留氨的浓度较小;(2)根据流程,SNCR没有使用催化剂,SCR使用催化剂,使用催化剂降低活化能,加快反应,因此SNCR技术的反应温度较高;脱硝主要反应是放热反应,温度过高,使脱硝主要反应的平衡逆向移动,或者在较高温度下,N2与O2发生反应生成NO。答案:(1)925 时脱硝效率高,残留氨浓度较小(2)没有使用催化剂,反应的活化能较大因为脱硝主要反应是放热反应,温度过高,使脱硝主要反应的平衡逆向移动(或生成的N2与O2反应生成NO等其他合理答案)
