1、第4节化学反应条件的优化工业合成氨课后篇素养形成必备知识基础练1.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。下列是哈伯法合成氨的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是()A.B.C.D.答案B解析合成氨反应为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,符合题意;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,符合题意。2.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),673 K,30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关
2、系如图所示。下列叙述正确的是()A.点a的正反应速率比点b的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.其他条件不变,773 K条件下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大答案D解析a点的反应物浓度大于b点,所以反应速率a更快;c点的时候各种物质的浓度仍在变化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。3.对于合成氨工业,只从提高原料转化率看,从下列条件中选择最适宜的组合是()高温低温低压高压催化剂加氨分离出氨A.B.C.D.答案B解析合成氨反应为N2+3H22NH3H0,因而可知降低温度有利于反应
3、向生成氨气的方向进行;从气体各物质化学式前的系数来看,加压有利于反应向生成氨气的方向进行;加催化剂只会改变速率却无法改变转化率;及时分离反应产物也有利于反应向生成氨气的方向进行。故综上所述符合题意。4.合成氨反应通常控制在2050 MPa的压强和500 左右的温度,且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为13,经科学测定,在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:温度压强20 MPa60 MPa500 19.1%42.2%而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%,这表明()A.表中所测数据有明显误差B.生产条件控制不当C.氨的分解速率大于预测值D.合成塔中的反应并未达到
4、平衡答案D解析表中数据为通过科学实验所得,不可能有明显误差;合成氨连续操作,不可能对生产条件控制不当;平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系,因此D项符合题意。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题,并未让合成氨反应达到平衡,因为让反应达到平衡需要一定的时间,时间太长得不偿失。5.将氮气和氢气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.c始(H2)=13 molL-1C.c始(N2)=5 molL-1D.H2的转化率为46.2%答案A解析由题
5、知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4molL-1,说明转化了4molL-1,则由化学方程式中化学式前面的系数关系知N2消耗了2molL-1,H2消耗了6molL-1,所以c始(H2)=13molL-1,c始(N2)=5molL-1,H2的转化率为6molL-113molL-1100%=46.2%。6.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图:下列说法正确的是()A.t1时升高了温度B.t2时使用了催化剂C.t3时增大了压强D.t4时降低了温度答案B解析若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A
6、错误;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,故C错误;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错误。7.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为311,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为934,则此时氮气的转化率为()A.10%B.20%C.15%D.30%答案A解析由题意设开始时H2、N2、NH3的物质的量分别为3mol、1mol、1mol。平衡时N2转化了amol,则根据“三段式”分析:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol131转化物质的量/mola3a2a平衡物质的量/mol1-a3-3
7、a1+2a则1-a1+2a=34,解之得a=0.1。N2的转化率为0.1mol1mol100%=10%。8.在一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比13的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较()A.a大B.b大C.a、b一样大D.无法判断答案A解析先假设a容器开始时也保持容积不变,则达到平衡时容器a中N2的转化率与容器b中N2的转化率相等,但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。由于容器a恒压,若要保持开始时的压强,必然要缩小容器a的容积,则平衡会正向移动。因此再次达平衡时,N2的转化率会增大。9.在450 时发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(
8、g)H0。若体系中只改变下列条件,请把影响结果填入表中。改变条件正反应速率逆反应速率平衡移动N2的转化率(1)增大N2的浓度(2)增大NH3的浓度(3)减小NH3的浓度(4)压缩体积增大压强(5)升高温度(6)加入催化剂(7)体积不变充入氖气答案(1)增大增大正向移动减小(2)增大增大逆向移动减小(3)减小减小正向移动增大(4)增大增大正向移动增大(5)增大增大逆向移动减小(6)增大增大不移动不变(7)不变不变不移动不变关键能力提升练10.在密闭容器中进行如下反应:N2+3H22NH3H0,当反应达到平衡时,其他条件不变,若压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,则下列说法中
9、正确的是()A.平衡不移动B.平衡向正反应方向移动C.平衡向逆反应方向移动D.NH3的百分含量减小答案B解析压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,则平衡向气体体积减小的方向移动,故平衡向正反应方向移动,使NH3的百分含量增加。11.合成氨反应达到平衡时,NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A.提高分离技术B.研制耐高压的合成塔C.研制低温催化剂D.探索不用N2和H2合成氨的新途径答案C解析由题图可知,NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降,故要提高NH3的体积分数,必须降低温度,但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度
10、为700K,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。12.合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下:关于合成氨工业的说法中不正确的是()A.混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想B.合成氨反应须在低温下进行C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D.使用催化剂可以提高反应的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动答案B解析低温虽然有利于平衡正向移动,但低温会导致反应速率降低,不利于提高生产效率,B项错误。13.对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是()A.达到平衡后,加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大
11、,N2的浓度比原平衡的小B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率C.达到平衡后,缩小容器容积,既有利于加快正、逆反应速率,但不利于提高氢气的转化率D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为催化剂改变反应途径,降低反应的活化能答案D解析达到平衡后,加入N2,平衡向正反应方向移动,达到新平衡后,NH3的浓度会增大,而N2的浓度比原平衡的大,A项错误;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH3的生成,B项错误;达到平衡后,缩小容器容积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,又有利于提高H2的转化率,C项错误;加入催
12、化剂,改变了反应途径,降低了反应的活化能,从而缩短反应达到平衡的时间,D项正确。14.下列是关于N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图像,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t。当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系不符合实际的是()答案A解析合成氨反应是气体体积减小的放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A项错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B项正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动
13、,只能改变化学反应速率,所以C项正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增大,所以正反应速率增大,分离出NH3,反应产物的浓度减小,所以逆反应速率减小,所以D项正确。15.将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中,在一定条件下,发生如下反应并达到平衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H”“解析(1)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;500高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动;采用500不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500左右催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率,不改变平衡移动;生成氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度
14、,平衡正向移动。(2)采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。(3)在甲容器中,反应的N2为2mol甲,则有N2(g)+3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol130转化物质的量/mol甲3甲2甲平衡物质的量/mol1-甲3-3甲2甲则K=(2甲)2(1-甲)(3-3甲)3=4甲227(1-甲)4。甲与乙相比,相当于在乙平衡的基础上增大压强,平衡正向移动,即甲容器中的平衡正向移动的程度更大,所以甲乙。学科素养拔高练17.电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,下列说法不正确的是()A.N2生成NH3是通过多步还原反应实现
15、的B.两个氮原子上的加氢过程同时进行C.析氢反应(H*+H*H2)会影响NH3的生成D.NH3的及时脱附有利于提高催化剂活性答案B解析由图可知,N2生成NH3是通过N2*N2*NNHNH3多步还原反应实现的,故A不符合题意;由图可知,加氢过程是分步进行的(*N2*NNH*NHNH),故B符合题意;析氢反应(H*+H*H2)会导致NH3中H不足,从而影响NH3的生成,故C不符合题意;NH3的及时脱附,能够增加催化剂与反应物的接触面积,即有利于增加催化剂活性,故D不符合题意。18.合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。N2和H2生成NH3的反应为:12N2(g)+32H2(g)NH3(g)H(298
16、K)=-46.2 kJmol-1,在Fe做催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态)化学吸附:N2(g)2N*;H2(g)2H*表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;NH2*+H*NH3*脱附:NH3*NH3(g)其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答:(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有(填字母)。A.低温B.高温C.低压D.高压E.催化剂(2)标准平衡常数K=p(NH3)pp(N2)p0.5p(H2)p1.5,其中p为标准压强(1105 Pa),p(NH3)、p(N2)和p(H2)为各组分的平衡分压,如p(NH3)=x(NH3)p,p为平衡总
17、压,x(NH3)为平衡体系中NH3的物质的量分数。N2和H2起始物质的量之比为13,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则标准平衡常数K=(用含w的最简式表示)。下图中可以示意标准平衡常数K随温度T变化趋势的是。(3)实际生产中,常用工艺条件:Fe做催化剂,控制温度为773 K、压强为3.0105 Pa,原料气中N2和H2物质的量之比为12.8。分析说明原料气中N2过量的理由。关于合成氨工艺的下列理解,正确的是(填字母)。A.合成氨反应在不同温度下的H和S都小于零B.控制温度(773 K)远高于室温,是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率C.当温度、压强一定时,在原料气
18、(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率D.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行E.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生答案(1)AD(2)4w(2-w)33(1-w)2A(3)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决定整体反应速率的主要步骤,N2适度过量有利于提高整体反应速率ADE解析(1)合成氨反应是气体分子数减小的放热反应,所以低温、高压有利于提高合成氨的平衡产率,A、D正确。(2)K=p(NH3)p(p(N2)p)0.
19、5(p(H2)p)1.5=px(NH3)p(px(N2)p)0.5(px(H2)p)1.5=x(NH3)x(N2)0.5x(H2)1.512N2(g)+32H2(g)NH3(g)起始/mol12320平衡/mol12-12a32-32aa根据题意得:a1=wK=x(NH3)x(N2)12x(H2)32=a2-a(12-12a2-a)12(32-32a2-a)32=a2-a(12)12(1-a)12(32)32(1-a)32(2-a)12(2-a)32=a2-a(2-a)2(12)12(12)32332(1-a)2=a(2-a)1433(1-a)2=w(2-w)1433(1-w)2=4w(2-w)33(1-w)2。温度升高,平衡左移,标准平衡常数减小,应选A。(3)N2在空气中大量存在,容易得到,所以N2可适度过量,以便提高H2的转化率;根据合成氨反应的特点及平衡移动原理分析可知,A、D、E正确。
