高二化学反应原理课时作业924化学反应条件的优化工业合成氨.docx
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高二化学反应原理课时作业924化学反应条件的优化工业合成氨
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
[对点训练]
题组1 合成氨反应适宜条件的选择
1.1913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.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.②③④
[答案] B
[解析] ②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动,提高转化率。
考点 工业合成氨条件的选择
题点 外界条件对合成氨平衡移动的影响
2.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,实施下列目的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500℃左右的高温而不是700℃的高温
D.采用2×107~5×107Pa的压强
[答案] B
[解析] 把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,相对较低温度(700K)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,A、C、D都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为增大反应速率,与平衡无关。
考点 工业合成氨条件的选择
题点 外界条件对合成氨平衡移动的影响
3.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700K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,无需考虑设备、条件
[答案] B
[解析] 合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时,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700K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20~50MPa,D项错误。
考点 工业合成氨条件的选择
题点 外界条件对工业合成氨影响的综合
4.下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )
A.铁做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2×107~5×107Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高
[答案] C
[解析] 催化剂可以改变反应速率,但不能使平衡移动,只能缩短反应达到平衡所需的时间,A项错误;升高温度可以加快反应速率,但合成氨反应是放热反应,因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动,B项错误;增大压强加快反应速率,C项正确;催化剂的活性取决于温度的高低,而非取决于压强的大小,D项错误。
考点 工业合成氨条件的选择
题点 外界条件对工业合成氨影响的综合
题组2 合成氨反应的图像题
5.某密闭容器中发生如下反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0。
下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系,t2、t3、t5时刻外界条件有所改变,但都没有改变各物质的初始加入量。
下列说法中正确的是( )
A.t2时加入催化剂
B.t3时降低了温度
C.t5时增大了压强
D.t4~t5时间内转化率一定最低
[答案] A
[解析] 合成氨反应前后气体系数减小,t2后反应速率增大,但平衡没有移动,说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂,化学平衡不移动;t3时刻应是减小压强,化学平衡向左移动;t5时刻应是升高温度,化学平衡向左移动;所以t6以后转化率最低。
考点 化学反应速率和化学平衡图像
题点 速率—时间(v-t)图像
6.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<0,673K、30MPa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,773K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点的小
[答案] C
[解析] A项,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项错误;B项,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项错误;C项,773K>673K,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;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,D项错误。
考点 化学反应速率和化学平衡图像
题点 物质的量—时间图像
7.在N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中,当分离出NH3时,下列说法正确的是
( )
A.改变条件后速率-时间图像如上图
B.此过程中Q>K
C.平衡体系中NH3的含量增大
D.N2的转化率增大
[答案] D
[解析] 分离出NH3,Q
考点 化学反应速率和化学平衡图像
题点 速率—时间(v-t)图像
8.某温度下,对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1。
N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A.将1mol氮气、3mol氢气,置于1L密闭容器中发生反应,放出的热量为92.4kJ
B.平衡状态由A变为B时,平衡常数K(A) 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 [答案] C [解析] 该反应为可逆反应,加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3,所以反应放出的热量小于92.4kJ,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项错误;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。 考点 化学反应速率和化学平衡图像 题点 转化率—压强图像 题组3 化工生产适宜条件的选择 9.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) ΔH<0。 欲提高CO的利用率,可采用的方法是( ) ①降低温度 ②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓度 A.①②③B.④⑤C.①⑤D.⑤ [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。 考点 化工生产适宜条件的选择 题点 合成氨适宜条件选择依据的应用 10.据报道,在300℃、70MPa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( ) A.使用CuZnFe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 [答案] B [解析] B项,加热可以加快化学反应速率,放热反应也可能在加热条件下进行,故不正确。 考点 化工生产适宜条件的选择 题点 合成氨适宜条件选择依据的应用 [综合强化] 11.(2017·福州高二质检)一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比1∶3的N2和H2。 开始时两容器的体积相同,则达到平衡时两容器中N2的转化率( ) A.a中大B.b中大 C.a、b中一样大D.无法判断 [答案] A [解析] 由题给信息可知,容器a中的反应与容器b中的反应相比,相当于增大压强,则平衡正向移动,因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。 考点 化学平衡的综合 题点 恒温恒压与恒容恒压条件下平衡的比较 12.(2017·青岛高二检测)相同温度下,有体积相同的甲、乙两个容器,甲容器中充入1gN2和1gH2,乙容器中充入2gN2和2gH2,分别进行合成氨反应。 下列叙述中错误的是( ) A.化学反应速率: 乙>甲 B.平衡后N2的浓度: 乙>甲 C.H2的平衡转化率: 乙>甲 D.平衡混合气体中H2的体积分数: 乙>甲 [答案] D [解析] 因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍,故A项正确;假设开始时乙容器的体积是甲的2倍(如图甲、虚拟乙),再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙), 则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动,即N2、H2的平衡转化率增大,它们在平衡混合气体中的体积分数减小,故C项正确,D项错误;平衡时,乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大,但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍,而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍,故B项正确。 考点 化学平衡的综合 题点 恒温恒容下的平衡比较 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NH3的质量分数(y轴所表示的),绘成图像如图所示,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: ___________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 [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的质量分数降低,说明此反应的正反应放热。 考点 化学平衡的图像 题点 百分含量(或质量分数)—温度图像 14.如图表示298.15K时,N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图,据图回答下列问题: (1)若反应中生成2mol氨,则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 (2)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________(填字母)。 A.600℃B.550℃ C.500℃D.450℃ (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) ΔH>0。 一定温度下,在1L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/min CH4/mol·L-1 H2O/mol·L-1 CO/mol·L-1 H2/mol·L-1 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x=________mol·L-1;前2min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3~4min之间,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 [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)①0.11 0.05mol·L-1·min-1 ②B [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2molNH3放出(600-508)kJ=92kJ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。 (4)①前2min内CH4的反应速率为v(CH4)= v(H2)= × =0.05mol·L-1·min-1。 由表分析2~3分钟时,反应达到平衡状态,此时生成H2的浓度为0.3mol·L-1。 CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) 起始浓度(mol·L-1)0.20.300 转化浓度(mol·L-1)0.10.10.10.3 0.10.20.10.3 0.010.010.010.03 0.090.190.110.33 所以x=0.11mol·L-1。 ②3min时,若充入水蒸气,平衡向右移动,4min时,水蒸气浓度应多于0.2mol·L-1;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,生成物浓度均多于2min时的浓度。 考点 化学反应速率与化学平衡的综合 题点 相关概念、规律、计算的综合应用 15.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压强1.0×105Pa、反应时间3h): T/K 303 313 323 353 NH3生成量/10-6mol 4.8 5.9 6.0 2.0 相应的热化学方程式如下: N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+ O2(g) ΔH=765.2kJ·mol-1 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2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(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: ①该条件下N2的平衡转化率______________________________________________________。 ②该条件下反应2NH3(g) N2(g)+3H2(g)的平衡常数为_______________________。 ③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 [答案] (1)升温、增大N2浓度、不断移出生成物 (2)①66.7% ②5.0×10-3mol2·L-2 ③c [解析] (2)①设反应过程消耗xmolN2(g)。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 起始物质的量(mol) 0.60 1.60 0 平衡物质的量(mol) 0.60-x1.60-3x2x 平衡时反应体系总物质的量=(0.60-x)+(1.60-3x)+2xmol=(2.20-2x)mol NH3(g)的物质的量分数为2x÷(2.20-2x)= 解得,x=0.40,N2的平衡转化率为 ×100%≈66.7%。 ②设此时反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为K。 平衡时,[NH3]=2×0.40mol÷2.0L=0.40mol·L-1,[N2]=(0.60-0.40)mol÷2.0L=0.10mol·L-1,[H2]=(1.60-3×0.40)mol÷2.0L=0.20mol·L-1,K= =5.0×10-3mol2·L-2。 考点 化学反应速率和化学平衡的综合 题点 相关概念、规律、计算的综合应用
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- 化学反应 原理 课时 作业 924 条件 优化 工业 合成氨