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2025魯科版化學選擇性必修1
分層作業14　化學反應條件的優化——工業合成氨
A級必備知識基礎練
題組1.工業生產適宜條件的選擇
1.由丙烯合成正丁醛的反應:CH3CHCH2(g)+CO(g)+H2(g)CH3CH2CH2CHO(l)　ΔH<0,為增大反應速率和提高原料氣的轉化率,你認為應該采用的適宜反應條件是(　　)
A.低溫、高壓、催化劑
B.適當的溫度、高壓、催化劑
C.常溫、常壓、催化劑
D.適當的溫度、常壓、催化劑
2.在合成氨時,既要使氨的產率增大,又要使化學反應速率增大,可以采取的措施有(　　)
①增大體積使壓強減小
②減小體積使壓強增大
③升高溫度
④降低溫度
⑤恒溫恒容,再充入等量的N2和H2
⑥恒溫恒壓,再充入等量的N2和H2
⑦及時分離產生的NH3
⑧使用正催化劑
A.①④⑤⑦ B.②③④⑦⑧
C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧
3.合成氨反應達到平衡時,NH3的體積分數與溫度、壓強的關系如圖所示。根據此圖分析合成氨工業最有前途的研究方向是(　　)
A.提高分離技術
B.研制耐高壓的合成塔
C.研制低溫催化劑
D.探索不用N2和H2合成氨的新途徑
4.合成氨工業中,原料氣(N2、H2及少量CO、NH3的混合氣)在進入合成塔前常用醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來吸收原料氣中的CO,其反應是[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH<0。
(1)必須除去原料氣中CO的原因是 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)醋酸二氨合銅(Ⅰ)吸收CO的生產適宜條件應是　　　　　　　　　　　　　　。
(3)吸收CO后的醋酸銅氨溶液經過適當處理又可再生,恢復其吸收CO的能力以供循環使用。醋酸銅氨溶液再生的生產適宜條件應是　　　　　　　　　　　　　　　　。
題組2.與工業生產相聯系的圖像
5.H2S和SO2會對環境和人體健康帶來極大的危害,工業上采取多種方法減少這些有害氣體的排放。
生物脫H2S的原理為
H2S+Fe2(SO4)3S↓+2FeSO4+H2SO4
4FeSO4+O2+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O
(1)硫桿菌存在時,FeSO4被氧化的速率是無菌時的5×105倍,該菌的作用是　　　　　　。
(2)由圖1和圖2判斷使用硫桿菌的最佳條件為　　　　　　　　　　　　。
若反應溫度過高,反應速率下降,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
圖1
圖2
6.如圖為合成氨反應在不同溫度和壓強、使用相同催化劑條件下,初始時氮氣、氫氣的體積比為1∶3時,平衡混合物中氨的體積分數[φ(NH3)]。
(1)若分別用vA(NH3)和vB(NH3)表示從反應開始至達平衡狀態A、B時的化學反應速率,則vA(NH3)　　　　(填“>”“<”或“=”)vB(NH3)。
(2)在250 ℃、1.0×104 kPa下,H2的轉化率為　　　　　　%(計算結果保留小數點后1位)。
(3)N2和H2在鐵作催化劑作用下從145 ℃就開始反應,隨著溫度上升,單位時間內NH3產率增大,但溫度高于900 ℃后,單位時間內NH3產率逐漸下降的原因是　　　　　　　　。
B級關鍵能力提升練
以下選擇題中有1~2個選項符合題意。
7.下列有關合成氨工業的敘述,不能用平衡移動原理來解釋的是(　　)
A.使用鐵作為催化劑有利于合成氨的反應
B.高壓比常壓更有利于合成氨的反應
C.700 K左右比室溫更有利于合成氨的反應
D.使反應混合物中的氨液化有利于合成氨的反應
8.合成氨工業對國民經濟和社會發展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)隨時間的變化關系如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.c點處反應達到平衡
B.d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)不同
C.其他條件不變,773 K下反應至t1時刻,n(H2)比圖中的d點的值要大
D.a點的正反應速率比b點的大
9.還原CoO制備Co可通過下列兩個反應實現:
Ⅰ.CoO(s)+H2(g)Co(s)+H2O(g)
Ⅱ.CoO(s)+CO(g)Co(s)+CO2(g)
723 K下,在初始壓強相同(均為12.0 kPa)的甲、乙兩密閉容器中分別發生反應Ⅰ、反應Ⅱ,得到部分氣體的分壓隨時間的變化關系如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.甲容器中,10~40 min內用H2表示的平均反應速率v(H2)=0.15 kPa· min-l
B.增大起始時容器的壓強,CoO的平衡轉化率增大
C.此條件下,選擇CO還原CoO的效率更高
D.723 K時,反應Ⅱ的平衡常數Kp=119
10.(2022·遼寧卷,17節選)工業合成氨是人類科學技術的一項重大突破,目前已有三位科學家因其獲得諾貝爾獎,其反應為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1　ΔS=-200 J·mol-1·K-1。回答下列問題:
(1)合成氨反應在常溫下　　　　　　　(填“能”或“不能”)自發。
(2)　　　　　　　(填“高”或“低”,下同)溫有利于提高反應速率,　　　　　　　溫有利于提高平衡轉化率,綜合考慮催化劑(鐵觸媒)活性等因素,工業上常采用400~500 ℃。
針對反應速率與平衡產率的矛盾,我國科學家提出了兩種解決方案。
(3)方案一:雙溫-雙控-雙催化劑。使用Fe-TiO2-xHy雙催化劑,通過光輻射產生溫差(如體系溫度為495 ℃時,Fe的溫度為547 ℃,而TiO2-xHy的溫度為415 ℃)。
下列說法正確的是　　　　　　　(填字母,下同)。
a.氨氣在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡產率
b.N≡N在“熱Fe”表面斷裂,有利于提高合成氨反應速率
c.“熱Fe”高于體系溫度,有利于提高氨的平衡產率
d.“冷Ti”低于體系溫度,有利于提高合成氨反應速率
(4)方案二:M-LiH復合催化劑。
下列說法正確的是　　　　　　　。
a.300 ℃時,復合催化劑比單一催化劑效率更高
b.同溫同壓下,復合催化劑有利于提高氨的平衡產率
c.溫度越高,復合催化劑活性一定越高
(5)某合成氨速率方程為v=
kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根據表中數據,γ=　　　　　　　;
實驗
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
在合成氨過程中,需要不斷分離出氨的原因為　　　　　　　(填字母)。
a.有利于平衡正向移動
b.防止催化劑中毒
c.提高正反應速率
C級學科素養拔高練
11.運用化學反應原理研究化學反應有重要意義。
(1)硫酸生產中,SO2催化氧化生成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),混合體系中SO3的百分含量和溫度的關系如圖1所示(曲線上任何一點都表示平衡狀態)。
圖1
①若在恒溫恒壓條件下向上述平衡體系中通入氦氣,平衡　　　　　　　　　　(填“向左”“向右”或“不”)移動。
②反應進行到狀態D時,v(正)　　　　　　　　(填“>”“<”或“=”)v(逆)。
(2)某資料中介紹的合成氨技術叫哈伯法:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,應用此法反應達到平衡時反應物的轉化率不高。
①能使該反應的反應速率增大,且平衡向正反應方向移動的措施是　　　　　　(填字母)。
A.使用更高效的催化劑
B.升高溫度
C.及時分離出氨
D.充入氮氣,增大氮氣的濃度(保持容器容積不變)
②若在某溫度下,2 L的密閉容器中發生合成氨的反應,圖2表示N2的物質的量隨時間的變化曲線。用H2表示0~10 min內該反應的平均速率v(H2)=　　　　　　　　　　。從第11 min起,壓縮容器的容積為1 L,則n(N2)的變化曲線為　　　　　　　　　　(填字母)。
圖2
分層作業14　化學反應條件的優化——工業合成氨
1.B　解析 合成正丁醛的反應是氣體體積減小的反應,故可以采用高壓,可加快反應速率且增大了轉化率;又因為該反應的正反應為放熱反應,高溫會使原料氣的轉化率降低,低溫會使反應速率減慢,所以要采用適當的溫度來提高反應速率,故選B。
2.C　解析 要使氨的產率增大,平衡右移,增大壓強和降低溫度、增大N2和H2的濃度、及時分離產生的NH3均可,要使化學反應速率增大,增大壓強、升高溫度、增大N2和H2的濃度、使用正催化劑,因此符合要求的是②⑤。
3.C　解析 由題圖可知,NH3的體積分數隨著溫度的升高而顯著下降,故要提高NH3的體積分數,必須降低溫度,但目前所用催化劑鐵觸媒的活性最高時的溫度為700 K左右,故最有前途的研究方向為研制低溫催化劑。
4.答案 (1)防止合成塔中的催化劑中毒　(2)低溫、高壓　(3)高溫、低壓
解析 分析吸收CO反應的特點:正反應是氣體體積縮小的放熱反應,對于這樣一個可逆反應,加壓、降溫可使平衡正向移動;低壓、高溫可使平衡逆向移動。
5.答案 (1)降低反應活化能(或作催化劑)
(2)30 ℃、pH=2.0　硫桿菌受熱變性(或硫桿菌失去活性)
解析 (1)由硫桿菌存在時的反應速率增大5×105倍可知,硫桿菌為該反應的催化劑,該反應中硫桿菌改變了反應路徑,降低了反應的活化能。
(2)由圖1可知,溫度在30 ℃左右時,速率最快;由圖2可知,反應混合液的pH=2.0左右時,速率最快。由此可推斷使用硫桿菌的最佳條件是溫度為30 ℃、混合液的pH=2.0。若反應溫度過高,硫桿菌受熱變性(失去活性),導致反應速率下降。
6.答案 (1)<　(2)66.7　(3)高于900 ℃后,產率受平衡移動影響為主,溫度升高,平衡向左移動,NH3產率下降
解析 (1)B的溫度和壓強均比A的高,所以B的速率大于A的速率。
(2)初始時氮氣、氫氣的體積比為1∶3時,假設N2為1 mol、H2為3 mol,設平衡時,N2消耗x mol
N2　 +　 3H2 2NH3
初始量/mol 1 3 0
變化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
由圖可知在250 ℃、1.0×104 kPa下,平衡混合物中氨的體積分數為50%,列式×100%=50%,解得x=,H2的轉化率為×100%≈66.7%。
(3)由圖像可知,溫度越高,φ(NH3)越低,說明合成氨的反應是放熱反應,當溫度高于900 ℃后,產率受平衡移動影響為主,溫度升高,平衡向左移動,NH3產率下降。
7.AC　解析 使用鐵作為催化劑,能同等程度地加快正、逆反應的速率,即正、逆反應速率仍相等,因而平衡不發生移動,不能用平衡移動原理來解釋;由于合成氨反應的正反應是一個氣態物質系數減小的反應,所以增大壓強可以使平衡向著生成氨的方向移動,可以用平衡移動原理解釋;合成氨反應是放熱反應,低溫雖然可以提高氨氣的產量,但是反應速率太慢,而溫度太高雖能加快反應速率,但卻使平衡混合物中氨氣的含量降低,因此工業生產中一般采用700 K左右,既能加快反應速率又能適當維持平衡混合物中氨氣的含量,并且700 K左右催化劑的活性最高,因此不能用平衡移動原理來解釋;將氨氣液化分離,降低了反應產物的濃度,使平衡向生成氨的方向移動,有利于氨的生成,可以用平衡移動原理來解釋。
8.CD　解析 c點是氫氣和氨氣物質的量相等的點,該點以后,氫氣的量還在減少,氨氣的量還在增加,故c點沒有達到平衡,A錯誤;t1和t2兩個時刻反應均處于平衡狀態,體系中各物質的物質的量不再變化,故d、e兩點氮氣的物質的量相等,B錯誤;工業合成氨為放熱反應,升高溫度,平衡逆向移動,氫氣的物質的量增大,C正確;反應達到平衡前,a點反應物濃度大于b點,因此a點的正反應速率比b點的大,D正確。
9.B　解析 甲容器中,10~40 min內,氫氣分壓變化為(7.5-3.0) kPa=4.5 kPa,用氫氣表示的平均反應速率為=0.15 kPa· min-l,故A說法正確;根據題中反應方程式,反應前后氣體系數不變,增大壓強,平衡不移動,CoO的平衡轉化率不變,故B說法錯誤;根據兩個圖像可知,CO還原CoO的速率更快,達到平衡時間更短,CO還原CoO達到平衡時,CO2分壓為11.9 kPa,起始壓強為12.0 kPa,說明CO還原CoO轉化更徹底,因此選擇CO還原CoO的效率更高,故C說法正確;達到平衡時,CO2分壓為11.9 kPa,該反應前后氣體系數相等,總壓強不變,即CO的分壓為0.1 kPa,Kp==119,故D說法正確。
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,則ΔH-TΔS=(-92.4+0.2×298) kJ·mol-1=-32.4 kJ·mol-1<0,所以合成氨反應在常溫下能自發進行。
(2)溫度越高,反應速率越快,所以高溫有利于提高反應速率;因為正反應為放熱反應,所以低溫有利于提高平衡轉化率。
(3)因為正反應為放熱反應,所以低溫有利于平衡正向移動,氨氣在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡產率,a正確;溫度升高,反應速率加快,所以N≡N在“熱Fe”表面斷裂,有利于提高合成氨反應速率,b正確;合成氨反應的正反應為放熱反應,“熱Fe”高于體系溫度,不利于提高氨的平衡產率,c錯誤;溫度升高,可提高合成氨反應的速率,所以“冷Ti”低于體系溫度,不利于提高合成氨反應速率,d錯誤。
(4)從圖中可以看出,300 ℃時,復合催化劑比單一催化劑的反應速率快,催化效率更高,a正確;催化劑只能改變反應速率,不能改變平衡產率,所以同溫同壓下,復合催化劑不能提高氨的平衡產率,b錯誤;雖然圖中顯示溫度高反應速率快,但溫度高到一定程度后,復合催化劑活性就可能降低,則可能反應速率降低,c錯誤。
(5)選擇實驗1和3進行分析,此時,則γ=-1。在合成氨過程中,需要不斷分離出氨,有利于平衡正向移動,a正確;氨是在該催化劑的催化作用下生成,不會使催化劑中毒,b錯誤;分離出氨,并沒有增大反應物的濃度,所以不會提高正反應速率,c錯誤。
11.答案 (1)①向左　②>　(2)①D　②0.06 mol·L-1·min-1　d
解析 (1)①恒溫恒壓條件下,向平衡體系中通入氦氣,則反應容器的容積會增大,相當于減小體系壓強,平衡會向氣體分子數增大的方向(向左)移動。
②反應進行到狀態D時沒有達到平衡,反應向右進行,所以v(正)>v(逆)。
(2)①該反應是氣體分子數減少的放熱反應,升高溫度,平衡逆向移動;使用更高效的催化劑,反應速率增大,但平衡不移動;分離出氨,平衡雖然正向移動,但反應速率減小;充入氮氣,平衡正向移動且反應速率增大。
②0~10 min時,N2從0.6 mol減少到0.2 mol,變化量為0.4 mol,則H2的變化量為1.2 mol,v(H2)=1.2 mol÷2 L÷10 min=0.06 mol·L-1· min-1。平衡時壓縮容器的容積,氣體的壓強增大,平衡正向移動,N2的物質的量在原有基礎上減小,曲線d符合題意。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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