1、第四节 化学反应的调控【基础巩固】1.在合成氨工业中,为了提高NH3的日产量,实施下列措施的变化过程中与平衡移动无关的是()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1030 MPa的压强解析:把氨分离出来可以减小生成物浓度,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三项都符合平衡移动原理;使用催化剂仅能改变反应速率,与平衡移动无关。答案: B2.对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是()A.升高温度,对正反应的反应速率影
2、响更大B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大解析: A项,合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应的反应速率都增大,但是温度对吸热反应的速率影响更大,所以对该反应来说,对逆反应速率影响更大,错误;B项,合成氨的正反应是气体体积减小的反应,增大压强,对正反应的反应速率影响更大,正确;C项,减小反应物浓度,使正反应的速率瞬间减小,由于生成物的浓度没有变化,所以逆反应速率瞬间不变,然后逐渐减小,故减小反应物浓度,对正反应的反应速率影响更大,错误;D项,加入催化剂,对正、逆反应的反应速率的影响相同,错误
3、。答案: B3.在N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)HKC.平衡体系中NH3的含量增大D.N2的转化率增大解析:分离出NH3,导致Qv逆,使平衡向正反应方向移动,N2的转化率增大,由于分离出NH3,使体系中NH3的含量减小。答案: D4.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)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,C项正确;反应达到平衡前,M点反应物浓度大于N点反应物浓度,因此M点的正反应速率比N点的正反应速率大,D项错误。答案: C5.德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法
4、。如图所示是哈伯法的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是()A. B.C. D.解析:操作均有利于提高原料转化率。答案: B6.合成氨工业的原料气中含有少量CO,CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒),因此,在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO,反应如下:Cu(NH3)2Ac(aq)+CO(g)+NH3(g)Cu(NH3)3COAc(aq)H0(1)醋酸二氨合铜吸收CO的适宜生产条件是。(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,醋酸铜氨溶液再生的适宜生产条件是。解析: (1)醋酸二氨合铜吸收CO的反应为气体体积减
5、小的放热反应,降低温度或增大压强,平衡向吸收CO的方向移动,故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反,应采用高温、低压作为生产条件。答案: (1)低温、高压(2)高温、低压【拓展提高】7.下列有关合成氨工业的说法中,正确的是()A.从合成塔出来的混合气体中,其中NH3只占15%,所以合成氨厂的产率都很低B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说合成氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在700 K左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强越大,产率越高,无须考虑设备、条件解析:合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时
6、,原料的转化率并不高,但生成的NH3分离出后,再将未反应的N2、H2循环利用,这样处理后,可使氨的产率较高,A项错误,B项正确;合成氨工业选择700 K左右的温度,主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑,合成氨的反应是放热反应,低温才有利于平衡向正反应方向移动,C项错误;不论从反应速率还是化学平衡考虑,高压更有利于合成氨,但压强太大,对设备、动力的要求更高,因此选择1030 MPa,D项错误。答案: B8.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。一定温度下,在1 L密闭容器中发生上述反应
7、,各物质的物质的量浓度变化如下表:tminCH4(mol/L)H2O(mol/L)CO(mol/L)H2(mol/L)00.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.33表中x=;前2 min内CH4的反应速率为。反应在34 min时,氢气的物质的量增多的原因可能是(填字母)。A.充入水蒸气 B.升高温度C.使用催化剂 D.充入氢气解析: (1)由图中能量状态可知,N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量,故该反应为放热反应,并且反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),每生成2 mol NH3放出(600-508) kJ=92 kJ热量。(2)合成
8、氨反应中,加入铁触媒后,由于改变了反应历程,使反应的活化能降低,从而增大了反应速率,故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应,当其他条件不变时,升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中,当压强不变时,曲线d对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线c对应的NH3的体积分数,所以曲线d对应的温度低于曲线c对应的温度。(4)前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)=13v(H2)=130.3mol/L2min=0.05 mol/(Lmin)。由表分析23 min时,反应达到平衡状态,此时生成H2的浓度为0.3 mol/L。 CH4(g)+
9、H2O (g)CO(g)+3H2(g)0min浓度(mol/L)0.2 0.30 0 2min浓度(mol/L)0.1 0.20.1 0.33min浓度(mol/L)0.1 0.20.1 0.34min浓度(mol/L)0.090.190.11 0.33所以x=0.11。3 min时,若充入水蒸气,平衡向右移动,4 min时,水蒸气浓度应大于0.2 mol/L;若升高温度,平衡向右移动,反应物浓度均减小,生成物浓度均增加,而且变化量正好等于化学计量数之比,该条件符合要求;使用催化剂,平衡不移动;充入H2,平衡向左移动,CH4、H2O的浓度均大于3 min 时的浓度。答案: (1)放热92(2)
10、b催化剂改变了反应的历程,降低了合成氨反应的活化能(3)D(4)0.110.05 mol/(L min)B【挑战创新】10.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0105 Pa、反应时间3 h):T/K303313323353NH3生成量/10-6mol4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下:N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+32O2(g)H=+765.2 kJ/mol回答下列
11、问题。(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率较小。请提出可增大其反应速率且增大NH3生成量的建议: 。(2)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)与1.60 mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为47。则:该条件下N2的平衡转化率为 。该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为。根据合成氨反应的特点分析,当前比较有前途的研究发展方向是(填字母)。A.研制耐高压的合成塔B.采用超大规模的工业
12、生产C.研制耐低温复合催化剂D.探索不用H2与N2合成氨的新途径解析: (2)设反应过程中消耗x mol N2(g)。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始量/mol0.60 1.60 0变化量/molx3x 2x平衡量/mol 0.60-x1.60-3x 2x平衡时反应体系总物质的量=(0.60-x)+(1.60-3x)+2x mol=(2.20-2x) mol,NH3(g)的物质的量分数为2xmol(2.20-2x)mol=47,解得x=0.40,N2的平衡转化率为0.40mol0.60mol100%66.7%。设此时反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为K。平衡时,c(NH3)=20.402 mol/L=0.40 mol/L,c(N2)=0.60-0.402 mol/L=0.10 mol/L,c(H2)=1.60-30.402 mol/L=0.20 mol/L,K=c(N2)c3(H2)c2(NH3)=5.010-3。答案: (1)升温、增大N2浓度(2)66.7%5.010-3C
