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(2021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.BCD【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。【加固训练】(2021南京高二检测)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图：关于合成氨工业的说法
2、中不正确的是()A混合气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【解析】选B。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，答案选B。2可逆反应3H2(g)N2(g)2NH3(g)H0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是()A升高温度，减小压强，增加氮气B降低温度，增大压强，加入催化剂C升高温度，增大压强，增加氮气D降低温度，增大压强，分离出部分氨【解析】选D。本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的
3、情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小生成物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。3(双选)工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是()A适当提高氨的合成速率B提高H2的转化率C提高氨的产率D催化剂在700 K时活性最大【解析】选A、D。合成氨反应采用700 K左右的温度的原因是考虑反应速率和催化剂的活性。4利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率所
4、采取的措施是()A高温 B高压C使用催化剂 D增大N2的浓度【解析】选B。合成氨反应是气体系数减小的放热反应，据勒夏特列原理可知高压利于提高N2的转化率。5(2021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的浓度分别为3 molL1、7 molL1、4 molL1，则下列结果不正确的是()Av(H2)始7 molL1h1Bc0(H2)13 molL1Cc0(N2)5 molL1DH2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 molL1，说明转化了4 molL1，则由化学计量数关系知N2消耗了2 molL1
5、，H2消耗了6 molL1，所以c0(H2)13 molL1，c0(N2)5 molL1，H2的转化率为100 %46.2 %。6(双选)(2021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，正确。7(双选)某温度下，对于反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1。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
6、.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)K(B)C上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大D升高温度，平衡常数K增大【解析】选B、C。该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.2 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项正确；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。【加固训练】(202
7、1宜昌高二检测)合成氨反应(正反应为放热反应)在不同温度或不同压强(p1p2)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(2021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()A15 mol和25 % B20 mol和50 %C20 mol和75
8、 % D40 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 molx210 mol25%，x15 mol，氨的转化率：100 %75 %。二、非选择题(本题包括2小题，共30分)9(14分)工业合成氨的反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1，其部分工艺流程如图所示。反应体系中各组分的部分性质如表所示。气体N2H2NH3熔点/210.01252.7777.74沸点/195.79259.2
9、333.42回答下列问题：(1)该反应的化学平衡常数表达式K_。随着温度升高，K值_(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上将气体循环利用，即反应后通过把混合气体的温度降低到_，将_分离出来；继续循环利用的气体是_。【解析】 (1)由合成氨反应的化学方程式可写出平衡常数表达式，此反应的H0，说明该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，c平(NH3)减小，c平(N2)和c平(H2)增大，故K值减小。(2)根据气体熔沸点的大小可知，氨易液化，将温度降低到氨气的沸点(33.42 )变为液态后，将氨气从体系中分离出去可使平衡正向移动，剩余的N2和H2可循环利用，
10、提高产率。答案：(1)减小(2)33.42 氨N2和H210(16分)(2021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2小题，每小题5分，共10分)11合成氨所需要的H2可由煤和水反应制得：(1)H2O(g)C(s)CO(g)H2(g)H0(2)CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)HW2，Q23.15 kJBW1W2，Q23.15 kJCW123.15 kJDW1W2，QQ。二、非选择题(本题包括1小题，共20分)13(202
11、1三明高二检测) 科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：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，部分实验数据见表(光照、N2压强1.0105 Pa、反应时间3h)：T/K303313323353NH3生成量/106 mol4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)2NH3(g)O2(g)H765.2 kJmol1回答下列问题：(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慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成
12、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)和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。计算：该条件下N2的平衡转化率_。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，当前最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生产c研制耐低温复合催化剂d探索不用H2和N2合成氨的新途径【解析】(2)设反应过程消耗x mol N2(g)。平衡时反应
13、体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数为解得，x0.40，N2的平衡转化率为100%66.7%。设此时反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，c平(NH3) molL10.40 molL1，c平(N2)molL10.10 molL1，c平(H2) molL10.20 molL1，K5.0103 mol2L2。答案：(1)升温、增大N2浓度、不断移出生成物(2)66.7%5.0103mol2L2c【加固训练】在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)3H2(g)2N
14、H3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图象如图所示，请回答下列问题：(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是_。(2)此可逆反应的正反应是_热反应。(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由：_。【解析】(1)从图象中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。答案：(1)A点、B点(2)放(3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增大；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
