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第二章　第四节
一、选择题
1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( B )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
2．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( C )
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
解析：使用催化剂只加快反应速率，对化学平衡移动没有影响，故A说法错误；升高温度，加快反应速率，合成氨为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨，故B说法错误；合成氨N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)，增大压强，加快反应速率，缩短达到平衡状态所用时间，故C说法正确；合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，考虑对材料的强度和设备的制造要求，与铁触媒的活性之间无关系，故D说法错误。
3．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( C )
①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂
A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．只有②⑤ D．①②③⑤⑧
解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②④⑤⑦使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑥⑧不影响化学平衡，①③使化学平衡向左移动。
4．合成氨反应通常控制在10 MPa～30 MPa的压强和400～500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1?3，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)如表所示：
压强 20 MPa 30 MPa
500 ℃ 19.1 26.4
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明( D )
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平衡
解析：这说明实际合成氨工业中需要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．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H2??2NH3，下列说法正确的是( A )
A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1?3时，达到平衡时氨的体积分数最大
B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量
C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3?2
D．分别用氮气和氢气来表示该反应的速率时，数值大小一定相同
解析：当氮气和氢气投料比为1?3时，v(N2)?v(H2)＝1?3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决于起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3?2，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。
6．某工业生产中发生反应：2X(g)＋Y(g)??2M(g)　ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是( D )
A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成
B．若物质Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高M的日产量
解析：虽然高压条件有利于M生成，但不一定都采用高压条件，如2SO2＋O2??2SO3，常压下SO2的转化率已经很高，高压对SO2的转化率影响不大，因而工业上采用常压；加入Y，X的转化率提高，但Y的转化率降低；ΔH<0，升高温度，反应物转化率降低；催化剂可加快化学反应速率。
7．对于反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)，在一密闭容器中加入一定量的N2和H2，达到平衡时混合气体的压强为p1，迅速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2，一段时间后达到新的平衡，此时混合气体的压强为p3，则p1、p2、p3的大小关系是( B )
A．p2>p1>p3 B．p2>p3>p1
C．p2>p1>p3 D．p2>p1＝p3
解析：根据勒夏特列原理，改变某一外界条件时，平衡只能向减弱这种改变的方向移动。
8．已知：2SO2(g)＋O2(g)===2SO3(g)　ΔH＝－197.8 kJ·mol－1。起始反应物为SO2和O2(物质的量之比为2?1，且总物质的量不变)SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是( B )
温度/K 压强/(105 Pa)
1.01 5.07 10.1 25.3 50.7
673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9
723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6
773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0
A.一定压强下降低温度，SO2的转化率增大
B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等
C．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D．工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高
解析：由表格数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，一定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO2的转化率增大，A正确；由于在不同温度、压强下，化学反应速率不一定相等，故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等，B错误；催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短到达平衡所花的时间，C正确；由图中数据可知，不同温度下，1.01×105 Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%，97.5%，93.5%，已经相当高了，且加压后转化率升高并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。
9．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)??CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是( B )
A．使用Cu Zn Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
10．某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)＋2CO(g)??N2(g)＋2CO2(g)　ΔH<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。下列说法正确的是( D )
①两种催化剂均能降低反应的活化能，但ΔH均不变
②相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
③曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右
④a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率
⑤若低于200 ℃，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高变化不大的主要原因是催化剂的活性不高
A．①②③ B．①③④
C．②③④ D．①③⑤
解析：①催化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的ΔH，正确；②该反应为气体分子数减小的反应，改变压强平衡发生移动，则改变压强对脱氮率有影响，错误；③由图可知，曲线Ⅱ中450 ℃左右脱氮率最大，则曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右，正确；④因为该反应是放热反应，降低温度，平衡正向移动，则a点对应温度下的平衡脱氮率应大于450 ℃下的脱氮率，错误；⑤催化剂的活性受温度的影响，则低于200 ℃时，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高变化不大的主要原因是催化剂的活性不高，正确。
11．CH4—CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为CH4(g)＋CO2(g)??2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247 kJ·mol－1，同时存在以下反应：CH4(g)??C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ·mol－1(积碳反应)，CO2(g)＋C(s)??2CO(g)　ΔH＝＋172 kJ·mol－1(消碳反应)，假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是( B )
A．高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳
B．增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C．升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大
D．温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
12．(2024·江苏南通期中)一定条件下，将一定量的CO2和H2混合气体通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知：Ⅰ.CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41 kJ·mol－1
Ⅱ.CO2(g)＋4H2(g)??CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－165 kJ·mol－1
在两种不同催化剂作用下反应相同时间，CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化关系如图所示。
下列说法不正确的是( D )
A．反应CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g)　ΔH＝－206 kJ·mol－1
B．在280 ℃条件下反应制取CH4，选择催化剂A的效果较好
C．260～300 ℃间，使用催化剂A或B，升高温度时CH4的产率都增大
D．M点可能是该温度下的平衡点，延长反应时间，不一定能提高CH4的产率
解析：根据盖斯定律反应Ⅱ－反应Ⅰ可得CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g)　ΔH＝－165 kJ·mol－1－(＋41 kJ·mol－1)＝－206 kJ·mol－1，A正确；据图可知在280 ℃条件下反应，使用催化剂A时CH4的选择性更高，B正确；由图可知，260～300 ℃间，使用催化剂A或B，升高温度时CO2的转化率都增大，CH4的选择性都增大，则产率都增大，C正确；据图可知选用催化剂A时，在与M点相同温度条件下，CO2有更高的转化率，而催化剂不影响平衡，说明M点一定不是平衡点，D错误。
二、非选择题
13．一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：
Ⅰ.C(s)＋H2O(g)??CO(g)＋H2(g)　ΔH1
Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)　ΔH2
Ⅲ.CaO(s)＋CO2(g)??CaCO3(s)　ΔH3
Ⅳ.C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s)??CaCO3(s)＋2H2(g)　ΔH4＝－64.9 kJ·mol－1
副反应：
Ⅴ.C(s)＋2H2(g)??CH4(g)　ΔH5＝－74.8 kJ·mol－1
Ⅵ.CO(g)＋3H2(g)??CH4(g)＋H2O(g)　ΔH6＝－206.1 kJ·mol－1
回答下列问题：
(1)已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数K1、K2随温度的变化如图1、图2所示。
①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，ΔH1＝_＋131.3_kJ·mol－1__；反应Ⅰ的ΔS_>__(填“>”或“<”)0。
②温度小于800 ℃时，K1＝0，原因是_未达到自发进行的反应温度__。
③为提高反应Ⅱ中CO的转化率，可采取的措施是 增大　(写一条)。
④T ℃时，向密闭容器中充入1 mol CO(g)和3 mol H2O(g)，只发生反应Ⅱ，此时该反应的平衡常数K2＝1，CO的平衡转化率为 75%　。
(2)从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是_减少温室气体(CO2)的排放__。
(3)起始时在气化炉中加入1 mol C、2 mol H2O及1 mol CaO，在2.5 MPa下，气体的组成与温度的关系如图3所示。
①200～725 ℃时，CH4的量不断减少的原因是 反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，升高温度平衡逆向移动　。
②725～900 ℃时，H2的物质的量分数快速减小，其原因是_CaCO3开始分解，生成的CO2与H2反应__。
解析：(1)①根据盖斯定律：Ⅴ－Ⅵ可得：C(s)＋H2O(g)??CO(g)＋H2(g)　ΔH1＝－74.8＋206.1＝＋131.3 kJ·mol－1；反应ⅠC(s)＋H2O(g)??CO(g)＋H2(g)的ΔS>0；
②反应自发进行需要达到一定的温度，温度小于800 ℃时，K1＝0，原因是未达到自发进行的反应温度；
③针对CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)反应，该反应为气体体积变化为0的反应，为提高反应Ⅱ中CO的转化率，可采取的措施是增大水蒸气浓度的方法达到目的；
④Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)反应，设一氧化碳变化量为x mol，设容器的体积为1 L，列三段式：
　　　 CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)
起始浓度　　1　　 3　　　　0　　0
变化浓度　　x　　 x　　　　x　　x
平衡浓度　1－x　　 3－x　　x　　x
平衡常数K＝＝1，x＝0.75 mol，所以CO的平衡转化率为75%。
(2)根据CaO(s)＋CO2(g)??CaCO3(s)反应可知，从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是减少温室气体(CO2)的排放。
(3)①反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，根据图像分析可知，200～725 ℃时，CH4的量不断减少的原因是升高温度平衡逆向移动。
②725～900 ℃时，碳酸钙发生分解，产生的二氧化碳与氢气反应，氢气的量减小，H2的物质的量分数快速减小。
14．甲醇是一种重要的有机化工原料，需求量巨大。我国独创的联醇工艺的核心是采用一氧化碳加氢中压合成法，主要反应如下：CO(g)＋2H2(g)??CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1
另有副反应：4CO＋2H2O===3CO2＋CH4等；中压法操作：压力为10～15 MPa，温度控制在513～543 K，所用催化剂是CuO－ZnO－Al2O3。合成甲醇的流程如图所示：
请回答：
(1)实际生产中CO不能过量，以免生成羰基铁使催化剂失去活性，而氢气过量是有益的，指出两点理由：_既可以防止或减少副反应发生，又可带走反应热避免催化剂过热而中毒__。
(2)采取10～15 MPa压力的作用是_加压有利于提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力__；温度控制在513～543 K的原因是_此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大__。
(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，该反应的化学方程式为 H2S＋CaO===CaS＋H2O　。
(4)若CO的转化率为80%，当有22.4 m3(标准状况)CO与过量H2充分反应(不计其他副反应)，可制得纯度为96%的甲醇的质量为_26.67__kg，同时获得热量_8.88×104__kJ。
解析：(1)氢气过量提高一氧化碳的转化率，防止副反应发生，大量的气流又可带走反应放出的热量。
(2)CO(g)＋2H2 (g)===CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1，正反应是气体体积缩小的反应，增大压强虽然有利于平衡正向移动，提高甲醇的产量，提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力；正反应是放热反应，从有利于甲醇生成的角度考虑应是低温，但温度过低达不到催化剂的活性，所以此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大。
(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，生成硫化钙和水，所以反应的化学方程式为H2S＋CaO===CaS＋H2O。
(4)根据CO(g)＋2H2 (g)??CH3OH(g)得1 mol的一氧化碳生成32×10－3 kg的甲醇，22.4 m3(标准状况)的物质的量为＝103 mol，所以可制得纯度为96%的甲醇的质量为≈26.67 kg，根据CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH＝－111.0 kJ·mol－1，1 mol CO完全反应放出111 kJ的热量，103 mol×80%＝800 mol，所以放出热量为111×800＝8.88×104(kJ)。
15．工业合成氨的反应为：
N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1
(1)根据下表数据计算x＝_946__。
化学键 H—H N—H N≡N
键能/kJ·mol－1 436 386 x
(2)在体积为V L的恒容密闭容器中发生上述反应，其平衡常数K与温度T的关系如表：
T/K 298 398 498
平衡常数K 4.1×106 K1 K2
①判断K1_>__K2。(填“>”“＝”或“<”)
②398 K时进行合成氨反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_AC__。(填字母)
A．混合气体的平均摩尔质量保持不变
B．v正(N2)＝3v逆(H2)
C．容器内压强保持不变
D．混合气体的密度保持不变
(3)甲同学为了探究外界条件对反应的影响，以c0 mol·L－1H2参加合成氨反应，在a、b两种条件下分别达到平衡，测得H2的浓度与反应时间的关系如图甲所示。
①a条件下，0～t0的平均反应速率v(N2)＝ 　 mol·L－1·min－1。
②相对a而言，b可能改变的条件是_增加N2浓度__。
③在a条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的，t2时刻重新建立平衡状态。则图甲中在t1到t2时刻c(H2)的变化曲线可能为_B__(填“A”“B”“C”或“D”)。
(4)乙同学向一恒温恒压容器中充入9 mol N2和23 mol H2，模拟合成氨的反应，图乙表示温度T时平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(p)的关系。若体系在60 MPa下达到平衡。
①此时N2的平衡分压为_9__MPa。(分压＝总压×物质的量分数)
②经计算可得此时的平衡常数Kp＝_0.043_MPa－2__。(用平衡分压代替平衡浓度计算，结果精确到0.001)
解析：(1)ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能＝[(x＋3×436)－(2×3×386)] kJ·mol－1＝－92 kJ·mol－1，解得x＝946。
(2)①反应ΔH<0，说明反应放热，升高温度反应逆向进行，则温度越高K值越小，所以K1>K2；②反应前后质量守恒，m不变，气体物质的量发生改变，所以平均摩尔质量改变，混合气体的平均摩尔质量保持不变可以说明反应达到平衡状态，故A正确；3v正(N2)＝v逆(H2)，反应达到平衡，故B错误；该反应前后气体分子数发生变化，恒容，容器内压强保持不变，说明各组分含量保持不变，反应达到平衡，故C正确；根据ρ＝m/V，混合气体总质量不变，恒容V不变，气体的密度始终保持不变，不能说明反应达到平衡，故D错误，故选AC。
(3)①a条件下，0－t0时间内，Δc(H2)＝(c0－c1)mol·L－1，发生反应为：N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)，则Δc(N2)＝Δc(H2)＝ mol·L－1，所以a条件下，0～t0的平均反应速率v(N2)＝＝ mol·L－1·min－1；②a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的浓度减小，说明平衡正向移动，所以改变的条件是增大N2浓度；③a条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的一半，则在t1时刻，c(H2)变为原来的2倍，随着反应进行，H2浓度降低，但建立新平衡时，不会比原平衡时浓度低，所以符合的为曲线B，故选为B。
(4)①发生的反应为：
　　　　 N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)
起始(mol)　　9　　23　　　 0
变化(mol)　　x　　3x　　　 2x
平衡(mol)　9－x　23－3x　 2x
体系在60 MPa下达到平衡，NH3的体积分数为60%，则×100%＝60%，可得x＝6，平衡时N2的平衡分压为×60 MPa＝9 MPa，②平衡时p(N2)＝9 MPa，p(H2)＝15 MPa，p(NH3)＝36 MPa，所以Kp＝＝＝0.043 MPa－2。
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第二章　化学反应速率与化学平衡
第四节　化学反应的调控
1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。
2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。
3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。
1．通过运用变量控制反应方向，培养变化观念和平衡思想。
2．运用化学知识解决生产、生活中的简单化学问题，培养科学态度与社会责任。
1．合成氨反应的特点
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS_____0，_____自发进行。
(2)可逆性：反应为_______反应。
(3)熵变：ΔS_____0，正反应是气体体积_______的反应。
(4)焓变：ΔH_____0，正反应是_______反应。
一、合成氨条件的理解
<
能
可逆
<
缩小
<
放热
2．原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 ___________ ___________
温度 ___________ ___________
催化剂 _______ _________
浓度 _______反应物浓度 _______反应物浓度，_______生成物浓度
增大压强
增大压强
升高温度
降低温度
使用
无影响
增大
增大
降低
3.数据分析
根据课本表2－2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1?3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是_______温度、_______压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是_______温度、_______压强。二者在_______这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。
升高
增大
降低
增大
温度
正｜误｜判｜断
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0，ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行。(　　)
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好。(　　)
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率。(　　)
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应。(　　)
(5)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率。(　　)
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。(　　)
×
×
×
×
√
×
深｜度｜思｜考
催化剂铁触媒以什么形态存在更有利于反应进行？原料气为什么要循环利用？
提示：铁触媒是固体，粉末状更有利于反应进行；原料气(气体)在铁触媒(固体)表面的接触反应有限，不能充分反应，因此要循环利用。
应｜用｜体｜验
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
D
2．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是(　　)
A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡有影响，但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态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响
D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果
C
1．合成氨反应条件的选择原则
工业生产中，必须从___________和___________两个角度选择合成氨的适宜条件。
(1)尽量增大反应物的_________，充分利用原料。
(2)选择较快的_______________，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件。
二、工业合成氨的适宜条件
反应速率
反应限度
转化率
化学反应速率
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件：_____________。
②选择依据：压强越大，需要的动力_______，对材料的强度和设备的制造要求就越高。
(2)温度
①适宜条件：_____________。
②选择依据：该温度下催化剂的活性_______，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。
10～30MPa
越大
400～500℃
最大
(3)催化剂
适宜条件：以_____为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
(4)浓度
①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1?2.8混合，适时分离出_______。
②选择依据：适当提高_____的浓度，来提高H2的转化率。
(5)其他
兼顾环境保护和社会效益，为了提高原料的_________，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。
铁
氨气
N2
利用率
3．合成氨的生产流程
正｜误｜判｜断
(1)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率。(　　)
(2)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保。(　　)
(3)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。(　　)
√
×
√
深｜度｜思｜考
在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是______________________。
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是________ _____________________________________________________________________________________________________________。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是
_____________________________________________________________________________________________________________________________________。
450℃、10 MPa
在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低
在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是__________________ __________________________。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是______________________________ ________________________。
增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率
防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)
应｜用｜体｜验
A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS不一定都小于零
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(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
D
mol－1可知，该反应ΔH小于零，该反应为气体物质的量减小的反应，所以ΔS小于零，A错误；该反应ΔH(298K)＝－46.2 kJ·mol－1小于零，控制温度(773 K)远高于室温有利于平衡逆向移动，不能提高平衡转化率，但是可以加快反应速率，B错误；当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，容器体积增大，相当于减小压强，平衡逆向移动，降低平衡转化率，C错误；NH3可以形成分子间氢键，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，D正确。
2．下列关于工业合成氨的叙述正确的是(　　)
A．合成氨工业温度选择为700 K左右，只是为了提高NH3产率
B．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响
C．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率
D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度
C
解析：合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气的浓度，故D错误。
随堂演练·知识落实
1．有关合成氨工业的生产流程如图所示。
下列关于合成氨工业的说法中不正确的是(　　)
A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B．合成氨反应需在低温下进行
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速率，但不能使平衡向正反应方向移动
解析：低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率和催化剂的催化效率，故合成氨不采用低温条件，B项错误。
B
2．下列有关工业合成氨的说法不能用平衡移动原理解释的是(　　)
A．不断补充氮气和氢气
B．选择10～30 MPa的高压
C．及时液化分离氨气
D．选择500 ℃左右的高温同时使用铁触媒作催化剂
解析：增大N2和H2浓度，平衡正向移动，选择高压平衡正向移动，分离氨气，减小生成物浓度，平衡正向移动，都可用平衡移动原理解释，A、B、C均不选；催化剂只改变速率，平衡不移动，不能用平衡移动原理解释，故选D。
D
3．二甲醚(DME)正逐渐替代化石燃料。有多种方法制备二甲醚，回答下列问题。
①已知：H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－44.0 kJ·mol－1，H2(g)的燃烧热ΔH＝－285.8 kJ·mol－1，CO(g)的燃烧热ΔH＝－283.0 kJ·mol－1。则二甲醚的燃烧热ΔH＝____________ kJ·mol－1。
－1460.5
②300 ℃，1 L恒容密闭容器中充入4 mol H2和2 mol CO，测得容器内压强变化如下：
反应进行到20 min时，H2的转化率为__________，CO的平均反应速率v(CO)＝______ mol·L－1·min－1。该温度下的平衡常数K＝_____ (mol·L－1)－4。
反应时间/min 0 5 10 15 20 25
压强/MPa 12.4 10.2 8.4 7.0 6.2 6.2
75%
0.075
3
(2)CO2催化加氢制二甲醚，可以实现CO2的再利用。该过程主要发生如下反应：
恒压条件下，CO2、H2起始量相等时，CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图。已知：CH3OCH3的选择性＝
①300 ℃时，通入CO2、H2各1 mol，平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30%，平衡时生成CH3OCH3的物质的量＝_______ mol。温度高于300 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是_______________________________________________________ _______________________________________________________________________。
②220 ℃时，CO2和H2反应一段时间后，测得A点CH3OCH3的选择性为48%，不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3的选择性的措施有_____________________________________________。
0.045
升高温度，反应Ⅰ正向进行，CO2的平衡转化率上升；反应Ⅱ逆向进行，CO2的平衡转化率下降，300℃后升温，上升幅度大于下降幅度
增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂
(ⅳ)H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－44.0 kJ·mol－1，由盖斯定律，反应4(ⅰ)＋2(ⅱ)－(ⅲ)－(ⅳ)得到二甲醚的燃烧热化学方程式CH3OCH3(g)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)　ΔH＝[4×(－285.8)＋2×(－283.0)－(－204.7)－(－44.0)] kJ·mol－1＝－1 460.5 kJ·mol－1。
②由表中数据可知，20 min时反应已达平衡，设此时转化的H2为x mol，列三段式：
　　　　　　
起始量/mol　　 4　　　　2　　 　　0　　　　0
转化量/mol　　 x　　　 0.5x　　　0.25x　　0.25x
平衡量/mol　 4－x　　 2－0.5x　　0.25x　　0.25x
(2)①300 ℃时CO2的平衡转化率为30%，则消耗CO20.3 mol，CH3OCH3的选择性为30%，则生成CH3OCH3的物质的量为0.3×0.3 mol÷2＝0.045 mol；
根据图中信息，温度高于300 ℃时，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是反应Ⅰ是吸热反应，反应向吸热反应方向移动即正向移动，反应Ⅱ是放热反应，升高温度，平衡向吸热反应方向移动即逆向移动，升高温度，对反应Ⅱ的影响大于反应Ⅰ，因此CO2平衡转化率随温度升高而上升。
②提高CH3OCH3选择性，即要使反应Ⅱ平衡正向移动，由题意得，反应Ⅰ是气体体积不变的反应，而反应Ⅱ是气体体积减小的反应，增大压强，反应Ⅱ平衡正向移动，而对反应Ⅰ没有影响，还可以选择对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂。

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