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2015-2016学年高二鲁科版化学选修4练习册:2.3.4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
ΔH=-92 kJ/mol,决定该反应速率大

1.反应 N2+3H2?2NH3 小的最主要因素是( A.温度 C.压强 )

B.N2、H2 的性质 D.催化剂

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 3.下列有关合成氨工业的叙述,可用勒·夏特列原理来解释的 是( ) A.使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率 B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率 4 . ( 双选 ) 对于密闭容器中发生的可逆反应 N2(g) + 3H2(g) ? 2NH3(g),下列说法表示反应已达平衡的是( ) )

A.单位时间内断裂 1 mol N≡N 键,同时断裂 6 mol N—H 键 1 B.每生成 1 mol N2,同时生成3 mol H2 C.v(H2)正=3v(N2)逆

3 D.v(H2) =2v(NH3) 5.保持温度、压强不变,合成氨反应达到平衡状态时,进行如 下操作,平衡不发生移动的是( A.恒温恒压时,充入 NH3 B.恒温恒容时,充入 N2 C.恒温恒压时,充入 He D.恒温恒容时,充入 He 6.反应 N2(g)+3H2(g) ?2NH3(g) ΔH<0,在某一时间段中反应 )

速率与反应过程的曲线关系如图 2-4-1,则氨的百分含量最高的一 段时间是( )

图 2-4-1 A.t0~t1 B.t2~t3 C.t3~t4 D.t5~t6

7.在某合成氨厂合成氨的反应中,测得合成塔入口处气体 N2、 H2、NH3 的体积比为 6∶18∶1,出口处气体 N2、H2、NH3 的体积比 为 9∶27∶8,则氮气的转化率为( A.5% C.25% B.50% D.20% )

8.在一定条件下,2NH3?3H2+N2 达到平衡时,NH3 的转化率为 50%,此时平衡混合气的密度与 NH3 未分解时的密度之比为( )

A.1∶1

B.2∶3

C.3∶2

D.2∶1 ΔH=-92.4

9.某温度下,对于反应 N2(g)+3H2(g) ?2NH3(g)

kJ/mol。N2 的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图 2-4-2 所 示。 下列说法正确的是( )

图 2-4-2 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 kJ B.平衡状态由 A 变到 B 时,平衡常数 K(A)<K(B) 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 10.将 8 mol H2 和 2 mol N2 充入 2 L 密闭容器中,在一定条件下 进行合成氨反应, 4 min 后反应达到平衡, 测得容器中还有 5.6 mol H2。 下列计算结果错误的是( )

A.v(H2)=0.3 mol· L-1·min-1 B.H2 的转化率为 25% C.NH3 的物质的量浓度为 0.8 mol· L -1 D.NH3 的体积分数为 19.05% 11.已知反应 N2(g)+3H2(g) ?2NH3(g) ΔH<0,向某体积恒定

的密闭容器中按体积比 1∶3 充入 N2 和 H2,在一定条件下发生反应。 图 2-4-3 是某物理量(y)随时间 t 变化的示意图,y 可以是( )

图 2-4-3 A.N2 的转化率 B.混合气体的密度 C.密闭容器的压强 D.H2 的体积分数 12.(双选)在一定条件下,可逆反应 N2+3H2 ?? 2NH3 Δ H<0 达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是 ( ) A.加入催化剂,v 正、v 逆都发生变化,且变化的倍数相等 B.加压,v 正、v 逆都增大,且 v 正增大的倍数大于 v 逆增大的倍 数 C.降温,v 正、v 逆都减小,且 v 正减少的倍数大于 v 逆减少的倍 数 D.加入氩气,v 正、v 逆都增大,且 v 正增大的倍数大于 v 逆增大 的倍数 13.温度、催化剂不变,向某一固定体积的密闭容器内按下列各 组物质的量加入 H2、N2、NH3,反应达平衡时,氨气浓度最大的一组 是( )

A(mol) H2 N2 NH3 6 2 0

B(mol) 1 0 4

C(mol) 3.5 1 2

D(mol) 5 1.5 1

14.(双选)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), 在 673 K、 30 MPa 下, n(NH3)和 n(H2)随时间变化的关系如图 2-4-4 所示。据图推测下列 叙述正确的是( )

图 2-4-4 A.点 a 的正反应速率比点 b 的大 B.点 c 处反应达到平衡 C.点 d(t1 时刻) 和点 e (t2 时刻) 处 n(N2)不一样 D.其他条件不变时,773 K 下反应至 t1 时刻,n(H2)比上图中 d 点的值大 15.在 2 L 密闭容器中, 充入 1 mol N2 和 3 mol H2, 在一定的 条件下反应, 2 分钟后达到平衡状态。 相同温度下, 测得平衡时 1 混合气体的压强比反应前混合气体的压强减小了10, 请据此填写下 列空白:

(1) 平衡时混合气体中三种气体的物质的量比为__________; (2) N2 的转化率为__________; (3)2 分钟内, NH3 的平均反应速率为__________。 16. 在一定温度下, 向容积不变的容器中加入 2 mol N2、 8 mol H2 及固体催化剂,使之反应。 已知:N2(g)+3H2(g) ?2NH3(g);ΔH=-92.2 kJ· mol-1。平衡时, 容器内气体压强为起始时的 80%。 (1)反应达到平衡时,放出的热量( A.小于 92.2 kJ B.等于 92.2 kJ C.大于 92.2 kJ (2)保持同一温度,在相同的容器中,若起始时加入 2 mol NH3、 1 mol H2 及固体催化剂,反应达到平衡时 NH3 的体积分数( A.等于 0.25 B.大于 0.25 C.小于 0.25 ) )

(3)保持同一温度,在相同的容器中,起始通入一定物质的量 N2、 H2、NH3,欲使平衡时 NH3 的体积分数一定等于 0.25。且起始时向正 反 应 方 向 进 行 , 则 充 入 N2 的 物 质 的 量 a mol 的 取 值 范 围 是 __________。 17.恒温下,将 a mol N2 与 b mol H2 的混合气体通入一个固定容 积的密闭容器内,发生如下反应 N2(g)+3H2(g) ?2NH3(g)。 (1)若反应到某时刻 t 时,n(N2)=13 mol 、n(NH3)=6 mol,求 a 的值;

(2)反应到达平衡时,混合气体体积为 716.8 L(标况),其中 NH3 的含量(体积分数)为 25%,计算平衡时 NH3 的物质的量; (3)混合气体中 a∶b=__________; (4)平衡混合气体中 n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=______________。

第4节
1.B

化学反应条件的优化——工业合成氨

[解析] 决定反应速率的最主要的因素是反应物自身的性

质,B 项正确。 2.B [解析] 使用催化剂不影响化学的平衡,B 项正确。 3.B [解析] 催化剂只能改变反应途径,不能影响平衡的移动, A 不符合题意;高压有利于合成氨反应的平衡右移,B 符合题意;采 用高温会使合成氨反应的平衡左移,但此温度下催化剂的活性较高, C 不符合题意;循环操作与平衡移动没有直接关系,D 不符合题意。 4. AC [解析] 化学平衡的本质就是正反应速率等于逆反应速率 且不为 0。故凡能直接或间接体现正反应速率等于逆反应速率的说法 均可作为判断可逆反应达到平衡的标志。A 中每断裂 1 mol N≡N 键, 即消耗 1 mol N2,每断裂 6 mol N-H 键,即消耗 2 mol NH3,同时必 生成 1 mol N2,即单位时间内消耗 N2 和生成 N2 的物质的量相同,也 就是说正反应速率等于逆反应速率,故反应已达平衡,A 项正确,同 理可得 C 项正确,B、D 项错误。 5. D [解析] A 项, 恒温恒压时充入 NH3, 体系的体积增大, c(产 物)增大,c(反应物)减小,平衡向左移动。B 项,恒温恒容时充入 N2, 使 c(N2)增大,平衡向右移动。C 项,恒温恒压时,充入 He,体系的

体积增大,原平衡体系的分压减小,平衡向左移动。D 项,恒温恒容 时充入 He, v 正、v 逆不变,仍相等,平衡不移动。 6.A [解析] 此题主要考查影响化学反应速率的因素及化学平

衡的移动,t1~t2 段,相当于在 t0~t1 基础上,升高了温度,平衡向 左移动,使 NH3 百分含量减少。t3~t4 段,只是使用了催化剂,使正、 逆反应速率同等程度地增加,平衡并未移动,NH3 的百分含量不变, 故只能选 A。 7.C [解析] 设起始时 N2、H2、NH3 的物质的量分别为 6x、18x、 x,平衡时可设为 9、27、8。则: N2 + 3H2 起始物质的量/mol 转化物质的量/mol 平衡物质的量/mol 6x 18x === 2NH3 x 8-x 8

6x-9 18x -27 9 27

根据转化的物质的量之比等于化学计量数之比得 (6x -9)︰ (8 -x)=1︰2, 故 x=2。 氮气的转化率为(6x-9)÷6x =0.25, 即 25%。 8.B [解析] 起始量 2NH3 ? 3H2 x 0 0.75x 0.75x + N2 0 0.25x 0.25x

转化量 50%x 平衡量 0.5x

m 反应前后均为气体,故总质量不变,密度ρ = ,而气体的体积 V 又与气体的物质的量成正比, 故反应后与反应前密度之比等于物质的

ρ 后 x 量的反比,即为 = =2︰3。 ρ 前 0.5x+0.75x+0.25x 9.C [解析] 因为该反应为可逆反应,加入 1 mol N2、3 mol H2, 两者不可能完全反应生成 NH3,所以放出的热量小于 92.4 kJ,A 错; 从状态 A 到状态 B 的过程中,改变的是压强,温度没有改变,所以平 衡常数不变,B 错;因为该反应是气体体积减小的反应,增大压强平 衡向正反应方向移动,H2 的转化率增大,C 对;升高温度,平衡逆向 移动,K 值减小,D 错。 10.B [解析] Δ n(H2)=8 mol-5.6 mol=2.4 mol ,v(H2)=

2.4 mol÷2 L÷4 min=0.3 mol·L-1·min-1,H2 的转化率为 2.4 mol ÷8 mol×100%=30%。 11.A 12.CD [解析] 催化剂只是增大或减小反应速率,即 v 正、v


都发生变化,但不会使平衡移动,即 v 正、v 逆变化的倍数相等,A 正 确。加压,体系中各反应物浓度增大,v 正、v 逆都增大,但更有利于 向气体体积减少的方向移动,故 v 正增大的倍数大于 v 逆增大的倍数, B 正确。 降温,反应速率全部下降,但有利于平衡向放热的方向移动, 而本反应Δ H<0,所以 v 正减少的倍数小于 v 逆减少的倍数。加入稀有 气体,各组分的浓度都不会变化或者减小,所以 v 正、v 逆不变或减小。 故 C、D 均不正确。 13. B [解析] 根据反应 2NH3(g)===N2(g)+3H2(g)按“一边倒” 的方法将后三个选项换算为 B 为 N2 2 mol、H2 7 mol、C 为 N2 2 mol 、 H2 6.5 mol,D 为 N2 2 mol 、H26.5 mol,由此可看出,经过转化 NH3

为 0,N2 为 2 mol,H2 的物质的量 B 项最多,反应达平衡时,B 项氨气 浓度最大。 14.AD [解析] 由图可以看出, N2 和 H2 反应生成氨气,刚开始 正反应速率最大,故 A 正确;c 点时 H2 和 NH3 的物质的量相等,还没 有达到平衡;t1 时已经达到平衡,点 d(t1 时刻) 和点 e(t2 时刻) 处 n(N2)相同,773 K 高于 673 K,升温后平衡逆向移动,t1 时刻 n(H2) 在 773 K 时比在 673 K 时的高。 15.(1)2 ? 6 ? 1 (2)20% (3)0.1 mol·L-1·min-1

[解析] 据反应前后混合气体的压强之比等于其物质的量之比, 平衡混合气体的物质的量减少了 4 mol× 1 =0.4 mol。 10

由方程式 N2(g) +3H2(g)===2NH3(g) 可知,生成的氨气即为 0.4 mol。 N2 起始物质的量 1 mol + 3H2 === 2NH3 3 mol 0.6 mol 2.4 mol 0 0.4 mol 0.4 mol

转化的物质的量 0.2 mol 平衡时物质的量 0.8 mol

则: (1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为: 0.8︰2.4 ︰0.4=2︰6︰1。 (2)N2 的转化率为: 0.2 mol ÷1 mol×100%=20%。 (3)2 分钟内, NH3 的平均反应速率为:0.4 mol ÷2 L÷2 min =0.1 mol·L-1·min-1。 16.(1)B (2)C (3)1<a<2

[解析] (1)平衡时,容器内气体压强为起始时的 80%,则生成 2 mol NH3,放出热量 92.2 kJ。(2)此时 NH3 的体积分数为 0.25,若起 始时加入 2 mol NH3、1 mol H2,则 NH3 的体积分数小于 0.25。(3)设 1 n(N2)=a,n(H2)=b,n(NH3)=c,则 a+ c=2 mol,故 a<2 mol,当 2 a=1 mol,c=2 mol,b=5 mol 时,NH3 的体积分数等于 0.25,要使 起始时向正反应方向进行,则 a>1 mol。故 1<a<2。 17.(1)16 (2)8 mol (3)2 ? 3 (4)3 ? 3 ? 2

[解析] (1)根据反应到某时刻 t 时,n(NH3)=6 mol,n(N2)=13 mol,所以:a=13+3=16。 716.8 L×25% (2)平衡时 n(NH3)= =8 mol。 22.4 L·mol-1 (3)由化学方程式可知生成 8 mol NH3 需消耗 N2 4 mol,H2 12 mol, 716.8 L 最后剩余 n(N2 )=16 mol-4 mol=12 mol,剩余 H2 为 22.4 L·mol-1 -8 mol-12 mol=12 mol,则总共的 H2 为:b=12+12=24,所以 a ?︰b=16︰24=2︰3。 (4)平衡时 n(N2)︰n(H2)︰n(NH3)=12︰12︰8=3︰3︰2。


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