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2025鲁科版化学选择性必修1
分层作业14　化学反应条件的优化——工业合成氨
A级必备知识基础练
题组1.工业生产适宜条件的选择
1.由丙烯合成正丁醛的反应:CH3CHCH2(g)+CO(g)+H2(g)CH3CH2CH2CHO(l)　ΔH<0,为增大反应速率和提高原料气的转化率,你认为应该采用的适宜反应条件是(　　)
A.低温、高压、催化剂
B.适当的温度、高压、催化剂
C.常温、常压、催化剂
D.适当的温度、常压、催化剂
2.在合成氨时,既要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有(　　)
①增大体积使压强减小
②减小体积使压强增大
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使用正催化剂
A.①④⑤⑦ B.②③④⑦⑧
C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧
3.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
4.合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO,其反应是[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH<0。
(1)必须除去原料气中CO的原因是 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件应是　　　　　　　　　　　　　　。
(3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是　　　　　　　　　　　　　　　　。
题组2.与工业生产相联系的图像
5.H2S和SO2会对环境和人体健康带来极大的危害,工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放。
生物脱H2S的原理为
H2S+Fe2(SO4)3S↓+2FeSO4+H2SO4
4FeSO4+O2+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O
(1)硫杆菌存在时,FeSO4被氧化的速率是无菌时的5×105倍,该菌的作用是　　　　　　。
(2)由图1和图2判断使用硫杆菌的最佳条件为　　　　　　　　　　　　。
若反应温度过高,反应速率下降,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图1
图2
6.如图为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下,初始时氮气、氢气的体积比为1∶3时,平衡混合物中氨的体积分数[φ(NH3)]。
(1)若分别用vA(NH3)和vB(NH3)表示从反应开始至达平衡状态A、B时的化学反应速率,则vA(NH3)　　　　(填“>”“<”或“=”)vB(NH3)。
(2)在250 ℃、1.0×104 kPa下,H2的转化率为　　　　　　%(计算结果保留小数点后1位)。
(3)N2和H2在铁作催化剂作用下从145 ℃就开始反应,随着温度上升,单位时间内NH3产率增大,但温度高于900 ℃后,单位时间内NH3产率逐渐下降的原因是　　　　　　　　。
B级关键能力提升练
以下选择题中有1~2个选项符合题意。
7.下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是(　　)
A.使用铁作为催化剂有利于合成氨的反应
B.高压比常压更有利于合成氨的反应
C.700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
8.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)　ΔH<0,673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.c点处反应达到平衡
B.d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
C.其他条件不变,773 K下反应至t1时刻,n(H2)比图中的d点的值要大
D.a点的正反应速率比b点的大
9.还原CoO制备Co可通过下列两个反应实现:
Ⅰ.CoO(s)+H2(g)Co(s)+H2O(g)
Ⅱ.CoO(s)+CO(g)Co(s)+CO2(g)
723 K下,在初始压强相同(均为12.0 kPa)的甲、乙两密闭容器中分别发生反应Ⅰ、反应Ⅱ,得到部分气体的分压随时间的变化关系如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.甲容器中,10~40 min内用H2表示的平均反应速率v(H2)=0.15 kPa· min-l
B.增大起始时容器的压强,CoO的平衡转化率增大
C.此条件下,选择CO还原CoO的效率更高
D.723 K时,反应Ⅱ的平衡常数Kp=119
10.(2022·辽宁卷,17节选)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖,其反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1　ΔS=-200 J·mol-1·K-1。回答下列问题:
(1)合成氨反应在常温下　　　　　　　(填“能”或“不能”)自发。
(2)　　　　　　　(填“高”或“低”,下同)温有利于提高反应速率,　　　　　　　温有利于提高平衡转化率,综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素,工业上常采用400~500 ℃。
针对反应速率与平衡产率的矛盾,我国科学家提出了两种解决方案。
(3)方案一:双温-双控-双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃)。
下列说法正确的是　　　　　　　(填字母,下同)。
a.氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率
b.N≡N在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率
c.“热Fe”高于体系温度,有利于提高氨的平衡产率
d.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率
(4)方案二:M-LiH复合催化剂。
下列说法正确的是　　　　　　　。
a.300 ℃时,复合催化剂比单一催化剂效率更高
b.同温同压下,复合催化剂有利于提高氨的平衡产率
c.温度越高,复合催化剂活性一定越高
(5)某合成氨速率方程为v=
kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根据表中数据,γ=　　　　　　　;
实验
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
在合成氨过程中,需要不断分离出氨的原因为　　　　　　　(填字母)。
a.有利于平衡正向移动
b.防止催化剂中毒
c.提高正反应速率
C级学科素养拔高练
11.运用化学反应原理研究化学反应有重要意义。
(1)硫酸生产中,SO2催化氧化生成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),混合体系中SO3的百分含量和温度的关系如图1所示(曲线上任何一点都表示平衡状态)。
图1
①若在恒温恒压条件下向上述平衡体系中通入氦气,平衡　　　　　　　　　　(填“向左”“向右”或“不”)移动。
②反应进行到状态D时,v(正)　　　　　　　　(填“>”“<”或“=”)v(逆)。
(2)某资料中介绍的合成氨技术叫哈伯法:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,应用此法反应达到平衡时反应物的转化率不高。
①能使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的措施是　　　　　　(填字母)。
A.使用更高效的催化剂
B.升高温度
C.及时分离出氨
D.充入氮气,增大氮气的浓度(保持容器容积不变)
②若在某温度下,2 L的密闭容器中发生合成氨的反应,图2表示N2的物质的量随时间的变化曲线。用H2表示0~10 min内该反应的平均速率v(H2)=　　　　　　　　　　。从第11 min起,压缩容器的容积为1 L,则n(N2)的变化曲线为　　　　　　　　　　(填字母)。
图2
分层作业14　化学反应条件的优化——工业合成氨
1.B　解析 合成正丁醛的反应是气体体积减小的反应,故可以采用高压,可加快反应速率且增大了转化率;又因为该反应的正反应为放热反应,高温会使原料气的转化率降低,低温会使反应速率减慢,所以要采用适当的温度来提高反应速率,故选B。
2.C　解析 要使氨的产率增大,平衡右移,增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度、及时分离产生的NH3均可,要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用正催化剂,因此符合要求的是②⑤。
3.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为700 K左右,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
4.答案 (1)防止合成塔中的催化剂中毒　(2)低温、高压　(3)高温、低压
解析 分析吸收CO反应的特点:正反应是气体体积缩小的放热反应,对于这样一个可逆反应,加压、降温可使平衡正向移动;低压、高温可使平衡逆向移动。
5.答案 (1)降低反应活化能(或作催化剂)
(2)30 ℃、pH=2.0　硫杆菌受热变性(或硫杆菌失去活性)
解析 (1)由硫杆菌存在时的反应速率增大5×105倍可知,硫杆菌为该反应的催化剂,该反应中硫杆菌改变了反应路径,降低了反应的活化能。
(2)由图1可知,温度在30 ℃左右时,速率最快;由图2可知,反应混合液的pH=2.0左右时,速率最快。由此可推断使用硫杆菌的最佳条件是温度为30 ℃、混合液的pH=2.0。若反应温度过高,硫杆菌受热变性(失去活性),导致反应速率下降。
6.答案 (1)<　(2)66.7　(3)高于900 ℃后,产率受平衡移动影响为主,温度升高,平衡向左移动,NH3产率下降
解析 (1)B的温度和压强均比A的高,所以B的速率大于A的速率。
(2)初始时氮气、氢气的体积比为1∶3时,假设N2为1 mol、H2为3 mol,设平衡时,N2消耗x mol
N2　 +　 3H2 2NH3
初始量/mol 1 3 0
变化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
由图可知在250 ℃、1.0×104 kPa下,平衡混合物中氨的体积分数为50%,列式×100%=50%,解得x=,H2的转化率为×100%≈66.7%。
(3)由图像可知,温度越高,φ(NH3)越低,说明合成氨的反应是放热反应,当温度高于900 ℃后,产率受平衡移动影响为主,温度升高,平衡向左移动,NH3产率下降。
7.AC　解析 使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,即正、逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,不能用平衡移动原理来解释;由于合成氨反应的正反应是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释;合成氨反应是放热反应,低温虽然可以提高氨气的产量,但是反应速率太慢,而温度太高虽能加快反应速率,但却使平衡混合物中氨气的含量降低,因此工业生产中一般采用700 K左右,既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量,并且700 K左右催化剂的活性最高,因此不能用平衡移动原理来解释;将氨气液化分离,降低了反应产物的浓度,使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。
8.CD　解析 c点是氢气和氨气物质的量相等的点,该点以后,氢气的量还在减少,氨气的量还在增加,故c点没有达到平衡,A错误;t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态,体系中各物质的物质的量不再变化,故d、e两点氮气的物质的量相等,B错误;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正确;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,D正确。
9.B　解析 甲容器中,10~40 min内,氢气分压变化为(7.5-3.0) kPa=4.5 kPa,用氢气表示的平均反应速率为=0.15 kPa· min-l,故A说法正确;根据题中反应方程式,反应前后气体系数不变,增大压强,平衡不移动,CoO的平衡转化率不变,故B说法错误;根据两个图像可知,CO还原CoO的速率更快,达到平衡时间更短,CO还原CoO达到平衡时,CO2分压为11.9 kPa,起始压强为12.0 kPa,说明CO还原CoO转化更彻底,因此选择CO还原CoO的效率更高,故C说法正确;达到平衡时,CO2分压为11.9 kPa,该反应前后气体系数相等,总压强不变,即CO的分压为0.1 kPa,Kp==119,故D说法正确。
10.答案 (1)能　(2)高　低　(3)ab　(4)a　(5)-1　a
解析 (1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1　ΔS=-200 J·mol-1·K-1,则ΔH-TΔS=(-92.4+0.2×298) kJ·mol-1=-32.4 kJ·mol-1<0,所以合成氨反应在常温下能自发进行。
(2)温度越高,反应速率越快,所以高温有利于提高反应速率;因为正反应为放热反应,所以低温有利于提高平衡转化率。
(3)因为正反应为放热反应,所以低温有利于平衡正向移动,氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率,a正确;温度升高,反应速率加快,所以N≡N在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率,b正确;合成氨反应的正反应为放热反应,“热Fe”高于体系温度,不利于提高氨的平衡产率,c错误;温度升高,可提高合成氨反应的速率,所以“冷Ti”低于体系温度,不利于提高合成氨反应速率,d错误。
(4)从图中可以看出,300 ℃时,复合催化剂比单一催化剂的反应速率快,催化效率更高,a正确;催化剂只能改变反应速率,不能改变平衡产率,所以同温同压下,复合催化剂不能提高氨的平衡产率,b错误;虽然图中显示温度高反应速率快,但温度高到一定程度后,复合催化剂活性就可能降低,则可能反应速率降低,c错误。
(5)选择实验1和3进行分析,此时,则γ=-1。在合成氨过程中,需要不断分离出氨,有利于平衡正向移动,a正确;氨是在该催化剂的催化作用下生成,不会使催化剂中毒,b错误;分离出氨,并没有增大反应物的浓度,所以不会提高正反应速率,c错误。
11.答案 (1)①向左　②>　(2)①D　②0.06 mol·L-1·min-1　d
解析 (1)①恒温恒压条件下,向平衡体系中通入氦气,则反应容器的容积会增大,相当于减小体系压强,平衡会向气体分子数增大的方向(向左)移动。
②反应进行到状态D时没有达到平衡,反应向右进行,所以v(正)>v(逆)。
(2)①该反应是气体分子数减少的放热反应,升高温度,平衡逆向移动;使用更高效的催化剂,反应速率增大,但平衡不移动;分离出氨,平衡虽然正向移动,但反应速率减小;充入氮气,平衡正向移动且反应速率增大。
②0~10 min时,N2从0.6 mol减少到0.2 mol,变化量为0.4 mol,则H2的变化量为1.2 mol,v(H2)=1.2 mol÷2 L÷10 min=0.06 mol·L-1· min-1。平衡时压缩容器的容积,气体的压强增大,平衡正向移动,N2的物质的量在原有基础上减小,曲线d符合题意。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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