1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨 经典基础题1 工业合成氨的反应是在500 左右进行的，这主要是因为()A500 时此反应速率最快B500 时NH3的平衡浓度最大C500 时N2的转化率最高D500 时该反应的催化剂活性最大答案D2合成氨工业上采用循环操作主要是因为 ()A加快化学反应速率B能提高氨的平衡浓度C降低氨气的沸点D提高氮气和氢气的利用率答案D3在N2(g)3H2(g)2NH3(g)HKC平衡体系中NH3的含量增大DN2的转化率增大答案D解析分离出NH3，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。4在合成氨工业中，下列变化过程不
2、能使平衡向右移动的是()不断将NH3分离出来使用催化剂采用700 K左右的高温采用21075107 Pa的压强A B C D答案B5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答案C解析增大压强，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。6下图所示是在恒温下合成氨反应的反应速率随时间变化的示意图，下列说法不符合该示意
3、图的是()A反应达到平衡时，正反应和逆反应速率相等B该反应达到平衡态以后，增大反应物的浓度，平衡发生移动，达到平衡态C反应达到平衡态以后，减小反应物浓度，平衡发生移动，达到平衡态D同一种反应物在平衡态和平衡态时浓度不相等答案C解析反应达平衡时，正反应速率和逆反应速率相等， A正确； B该反应达到平衡态后，增大反应物浓度时，正反应速率增大，逆反应速率不变，平衡正向移动，达到平衡态，所以同一种反应物在平衡态和平衡时浓度不相等，B、D正确； C该反应达到平衡态后，减小反应物浓度，正反应速率和逆反应速率均减小，且平衡应逆向移动，逆反应速率大于正反应速率，与图像矛盾， C错误。7某温度下，对于反应N2(
4、g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJ mol1。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92.4 kJB平衡状态由A变到B时，平衡常数K(A)(a)，则1(a)(b)。11在密闭容器内，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H(298 K)92.2 kJ mol1(1)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度之比为_。(2)保持体积不变，升高温度，平衡_(填“正向”、“逆向”或“不”)移动，密度_(填“变大”、“变小”或“不变”
5、)。(3)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氩气，平衡_(填“正向”、“逆向”或“不”)移动。(4)当反应达到平衡时，保持温度、压强不变，充入氩气，平衡_(填“正向”、“逆向”或“不”)移动。(5)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氮气，平衡_(填“正向”、“逆向”或“不”)移动；氢气的转化率_(填“增大”、“减小”或“不变”)。 答案(1)13(2)逆向不变(3)不(4)逆向 (5)正向增大能力提升题12如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答：(1)若反应中生成2 mol氨，则反应_(填“吸热”或“放热”)_kJ。(2)
6、在图中曲线_(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_。(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ，则曲线b对应的温度可能是_。A600 B550 C500 D450 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g)H0在一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：t/minCH4(molL1)H2O(molL1)CO(molL1)H2(molL1)00.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090
7、.19x0.33表中x_molL1；前2 min内CH4的平均反应速率为_。反应在34 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是_(填代号)A充入水蒸气 B升高温度C使用催化剂 D充入氢气答案(1)放热92(2)b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 molL1 min1B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(600508) kJ92 kJ热量。(2)合成氨反应中，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
8、加快了反应速率，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b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以b曲线对应的温度低于a曲线对应的温度。故选D。(4) 前2 min内CH4的反应速率为：v(CH4)v(H2)0.05 molL1 min1。由表分析23分钟时，反应达到平衡状态，此时生成H2浓度为0.3 molL1。 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g) 0.2 0.3 0 0 0.1 0.1 0.1 0.32和3 m
9、in浓度(molL1) 0.1 0.2 0.1 0.3 0.01 0.01 0.01 0.03 0.09 0.19 0.11 0.33所以x0.11 molL13 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应多于0.2 molL1 ；若升高温度，平衡向右移动，反应物均减小，生成物均增加，而且变化量正好等于化学方程式系数比，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。反应物浓度均多于2 min时的浓度。所以只选B。13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)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中N
10、H3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答：(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_。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的质量分数增多；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。解析(1)从图像中看出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
11、数降低，说明此反应的正反应放热。14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，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0105 Pa、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量/(106 mol)4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)=2NH3(g)O2(g)H765.2 kJ mol1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
12、提高其反应速率且增大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)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_。答案(1)升温、增大N2浓度、不断移出生成物 (2)66.7%5.0103 mol2L2解析(1)加快反应速率且增大NH3生成量的方法是升温、增大N2浓度、不断移出生成物。(2)解：设反应过程消耗x
13、mol N2(g)。 N2(g)3H2(g)2NH3(g) 0.60 1.60 0 0.60x 1.603x 2x平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数2x(2.202x)x0.40N2的平衡转化率100%66.7%设反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，NH320.40 mol2.0 L0.40 molL1 N2(0.600.40) mol2.0 L0.10 molL1H2(1.6030.40) mol2.0 L0.20 molL1K(0.10 molL1)(0.20 molL1)3(0.40 molL1)25.0103 mol2L2。