鲁科版 (2019)选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨课时作业

这是一份鲁科版 (2019)选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨课时作业，共14页。试卷主要包含了下列说法中正确的是，40 ml N2和0等内容，欢迎下载使用。

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨
基础过关练
题组一　合成氨反应的限度、速率
1.(2021辽宁联合校高二上第一次月考)工业合成氨反应中,使用催化剂和施以高压,下列叙述正确的是 (　　)
A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响
B.都对平衡状态有影响,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,只有加压对化学平衡状态有影响
D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而加压无此作用
2.(2021安徽六安一中高二上开学)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,向容器中通入1 mol N2和3 mol H2,当反应达到平衡时,下列措施能提高N2转化率的是 (　　)
①降低温度
②维持温度、容积不变,按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件,通入一定量惰性气体
A.①④　　B.①②　　C.②③　　D.③④
3.(2021江西抚州临川一中高二上期中)对于合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,达到平衡后,以下分析正确的是 (　　)
A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大
4.(2021河北邢台高二上月考)氨是重要的无机化工产品,合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0。在恒温恒容密闭容器中进行合成氨反应,各组分浓度与时间的关系如图所示。

回答下列问题:
(1)表示N2浓度变化的曲线是　　　(填字母),25 min时c(NH3)=　　　　　　。 
(2)0~25 min内,v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=　　　　　　　,该反应的平衡常数K=　　　(mol/L)-2。 
(3)若升高温度,则平衡向　　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动;正反应速率　　　　(填“增大”“减小”或“不变”,下同),逆反应速率　　　　。 
题组二　工业合成氨的适宜条件
5.(2021安徽黄山屯溪一中高二上期中)下列说法中正确的是 (　　)
A.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
B.在工业生产条件优化时,只考虑经济性就行,不用考虑环保
C.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
D.在合成氨反应中,为提高H2的转化率,充入的N2越多越好
6.(2021山东师大附中高二上期中)1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图,其中为提高原料转化率而采取的措施是 (　　)

A.①②③　　B.②④⑤　　C.①③⑤　　D.②③④
7.合成氨反应在工业生产中的大量运用,满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供了足够的原料——氨。合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH。在298 K时:ΔH=-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106 (mol·L-1)-2。
(1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大,为什么还需要使用催化剂?　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)298 K、1.01×105 Pa下,在10 L密闭容器中充入10 mol氮气、30 mol氢气和20 mol氨气,开始的瞬间,反应向　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向进行,反应进行5 min后体系能量的变化为　　　　(填“吸收”或“放出”)184.4 kJ,容器内压强变为原来的　　　　倍。 
(4)从开始至5 min时,用N2浓度变化表示该反应的平均速率:v(N2)=　　　　　。 
能力提升练
题组　工业合成氨的适宜条件
1.(2020陕西咸阳高二上第二次月考,)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ/mol,据此回答以下问题:
(1)①该反应的化学平衡常数表达式为　　　　　　　　　　。 
②根据温度对化学平衡的影响规律可知,对于该反应,温度越高,其平衡常数越　　　。 
(2)某温度下,若把10 mol N2与30 mol H2置于容积为10 L的恒容密闭容器内,反应达到平衡状态时,测得混合气体中氨的体积分数为20%,则该温度下反应的平衡常数K=　　　　　(可用分数表示)。能说明该反应达到化学平衡状态的是　　　　(填字母)。 
a.容器内的密度保持不变　　　　b.容器内压强保持不变
c.v正(N2)=2v逆(NH3)　　　 　d.混合气体中c(NH3)不变
(3)对于合成氨反应而言,下列有关图像一定正确的是　　　　(填字母)。 

(4)相同温度下,有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B,两容器中均充入1 mol N2和3 mol H2,此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态,A中NH3的体积分数为a,放出热量Q1 kJ;B中NH3的体积分数为b,放出热量Q2 kJ。则:a　　　b(填“>”“=”或“<”,下同),Q1　　　92.4。 
2.(2021河南重点高中高二上期中,)人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch合成NH3法是以铁为主要催化剂、在400~500 ℃和10~30 MPa的条件下,由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反应生成17 g NH3时放出46 kJ热量,写出该反应的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)我国科学家研制出一种新型催化剂,将合成氨的温度、压强分别降到350 ℃、1 MPa,该催化剂对工业生产的意义是　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)在2 L恒容密闭容器中,按投料比n(H2)n(N2)分别为1∶1、2∶1、3∶1进行反应,相同时间内测得N2的转化率与温度、投料比的关系如图所示(不考虑催化剂失活)。
①曲线Ⅰ表示投料比n(H2)n(N2)=　　　　。某温度下,曲线Ⅰ对应反应达到平衡时N2的转化率为x,则此时混合气体中NH3的体积分数为　　　　　(用含x的数学式表示)。 
②下列有关图像的分析中错误的是　　　　(填字母)。 
A.投料比越大,H2的平衡转化率越大
B.T C.T>T0,投料比一定时,升高温度,平衡向左移动
D.T>T0,投料比一定时,升高温度,反应速率减小
3.(2020湖北荆、荆、襄、宜四地七校高二联考,)科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。
Ⅰ.合成氨的原理为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ/mol。
(1)在恒容密闭容器中发生上述反应,下列描述中能说明该反应已达平衡状态的是　　　。 
A.容器内气体的平均摩尔质量保持不变
B.2v正(NH3)=v逆(N2)
C.容器中气体的压强保持不变
D.N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3
(2)673 K、30 MPa下,向容积为2.0 L的恒容密闭容器中充入0.80 mol N2和1.60 mol H2,反应经3分钟达到平衡,此时NH3的体积分数为20%。
①该条件下反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的平衡常数K=　　　　　　(精确到小数点后一位);K越大,表明反应达到平衡时　　　　。 
A.H2的转化率一定越高　　　　B.NH3的浓度一定越大
C.正反应进行得越完全　　　　D.化学反应速率越大
②若达平衡后再向该容器中充入0.40 mol N2和0.40 mol NH3,该平衡将　　　　　　　　　　(填“向正反应方向移动”“向逆反应方向移动”或“不移动”)。 
Ⅱ.根据“人工固氮”的最新研究报道,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:2N2(g)+6H2O(l) 4NH3(g)+3O2(g)　ΔH=a kJ·mol-1。进一步研究NH3生成量与温度的关系,常压下达到平衡时测得部分实验数据如表:
T/K
303
313
323
NH3的生成量/(10-6 mol)
4.8
5.9
6.0
(1)此合成反应的a　　　0,ΔS　　　0。(填“>”“<”或“=”) 
(2)已知(K为平衡常数):N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　K1,2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)　K2,则N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+32O2(g)的K= 
(用K1、K2表示)。

答案全解全析
基础过关练
1.C
2.B
3.B
5.A
6.B



1.C　合成氨的正反应为气体体积减小的放热反应,增大压强平衡正向移动,也能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间;加入催化剂,能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间,对平衡的移动没有影响,故选C。
2.B　①合成氨反应的正反应为放热反应,降低温度,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;②维持温度、容积不变,按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2,相当于增大压强,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;③增加NH3的物质的量,平衡逆向移动,N2的平衡转化率降低;④维持恒压条件,通入一定量惰性气体,相当于减小压强,平衡逆向移动,氮气的平衡转化率降低;故选B。
3.B　合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,说明温度对逆反应的反应速率影响较大,故A错误;反应是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,所以压强对正反应速率影响较大,故B正确;减小反应物浓度,平衡逆向移动,正反应速率瞬间减小,对正反应的反应速率影响较大,故C错误;加入催化剂,对正、逆反应速率影响相同,故D错误。
4.答案　(1)C　2.0 mol/L
(2)1∶3∶2　427
(3)逆反应　增大　增大
解析　(1)根据图像可知,反应进行到20 min时曲线A代表的物质浓度减少了6.0 mol/L-3.0 mol/L=3.0 mol/L,曲线C代表的物质浓度减少了2.0 mol/L-1.0 mol/L=1.0 mol/L,根据化学方程式可知表示N2浓度变化的曲线是C,表示H2浓度变化的曲线是A,表示氨气浓度变化的曲线是B,25 min时c(NH3)=2.0 mol/L。
(2)各物质表示的反应速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,所以v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2;由图可知,该反应在20 min时达到平衡,K=c平2(NH3)c平(N2)·c平3(H2)=(2.0mol/L)21.0mol/L×(3.0mol/L)3=427 (mol/L)-2。
(3)升高温度,正、逆反应速率都增大,由于合成氨反应的正反应为放热反应,所以平衡逆向移动。
5.A　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,故A正确;在工业生产条件优化时,不能只考虑经济而不考虑环保,故B错误;工业合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0,ΔH-TΔS>0时,反应不能自发进行,所以该反应不能在很高的温度下进行,故C错误;过多的氮气会带走热量,不利于反应的进行,故D错误。
6.B　为提高原料转化率,应使平衡向正反应方向移动,根据化学方程式N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)可知增大压强,平衡正向移动;正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动;催化剂对平衡移动无影响;液化分离出氨气,生成物浓度减小,可使平衡正向移动;氮气和氢气的再循环,可增大反应物浓度,有利于平衡正向移动;选故B。
7.答案　(1)使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率,提高单位时间内的产量
(2)在该温度下,催化剂的活性最高,反应速率较快,反应的限度虽然有所降低,但综合分析,单位时间内的产量还是最理想的
(3)正反应　放出　1415
(4)0.04 mol·L-1· min-1
解析　(3)Q=(20mol10 L)210mol10 L×(30mol10 L)3=427(mol·L-1)-2 　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 10 30 20
转化/mol 2 6 4
5 min时/mol 8 24 24
故5 min时气体总物质的量为56 mol,容器内压强变为原来的5660=1415倍。(4)v(N2)=2mol10 L×5min=0.04 mol·L-1· min-1。
能力提升练
1.答案　(1)①K=c平2(NH3)c平(N2)×c平3(H2)　　②小
(2)112 (mol/L)-2　bd
(3)ac
(4)<　<
解析　(1)①根据化学方程式可写出化学平衡常数表达式K=c平2(NH3)c平(N2)×c平3(H2);②合成氨反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,K减小。
(2)设转化的氮气的浓度为x mol/L,列三段式:
　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始浓度(mol/L) 1 3 0
转化浓度(mol/L) x 3x 2x
平衡浓度(mol/L) 1-x 3-3x 2x
反应达到平衡状态时,测得混合气体中氨的体积分数为20%,即2x1-x+3-3x+2x×100%=20%,解得x=13,则K=c平2(NH3)c平(N2)×c平3(H2)=(23mol/L)223mol/L×(2 mol/L)3=112 (mol/L)-2。容器容积不变,气体质量不变,所以容器内的密度始终保持不变,a错误;容器容积不变,反应前后气体物质的量不相等,所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态,b正确;v正(N2)=2v逆(NH3),正、逆反应速率不相等,说明反应未达到平衡状态,c错误;混合气体中c(NH3)不变,说明各组分浓度都不变,反应达到平衡状态,d正确。
(3)先出现拐点的先达到平衡状态,则T2>T1,温度升高,平衡逆向移动,NH3的体积分数减小,a正确;平衡时各物质浓度不一定相等,b错误;使用催化剂可加快反应速率,但对平衡无影响,平衡时物质的转化率不变,c正确。
(4)相对于A来说,B相当于加压,平衡正向移动,氨气的体积分数变大,所以a 2.答案　(1)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1
(2)节能、降低生产成本(答案合理即可)
(3)①3∶1　x2-x　②AD
解析　(1)17 g NH3的物质的量是17 g17 g/mol=1 mol,生成1 mol NH3时放出46 kJ热量,则生成2 mol氨气放出的热量是92 kJ,所以该反应的热化学方程式是N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1。
(2)研制一种新型催化剂,将合成氨的温度、压强分别降到350 ℃、1 MPa,对工业生产的意义是节能、降低生产成本等。
(3)①在相同的温度下,投料比越大,氮气的转化率越高,则曲线Ⅰ表示投料比n(H2)n(N2)=3∶1,设H2、N2的初始物质的量分别为3 mol、1 mol,利用“三段式”法:
　　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始物质的量(mol) 1 3 0
转化物质的量(mol) x 3x 2x
平衡物质的量(mol) 1-x 3-3x 2x
所以混合气体中NH3的体积分数为2x1-x+3-3x+2x=x2-x。
②投料比越大,H2的平衡转化率越小,故A错误;同一投料比达到平衡时氮气的转化率最大,平衡之前,升高温度,化学反应速率增大,故B正确;投料比一定时,平衡之后,由于该反应是放热反应,所以升高温度,平衡逆向移动,故C正确;升高温度,化学反应速率增大,故D错误。
3.答案　Ⅰ.(1)AC　(2)①1.1 (L/mol)2　C　②向逆反应方向移动
Ⅱ.(1)>　>　(2)K1K23/2
解析　Ⅰ.(1)该反应中所有物质均为气体,故气体的质量不变,该反应为反应前后气体体积改变的反应,由M=mn总可知,随着反应的进行,容器内气体的平均摩尔质量是变量,当容器内气体的平均摩尔质量不变时,可说明该反应达到了化学平衡状态,A正确;2v正(NH3)=v逆(N2)不满足物质所对应化学计量数的比,该反应未达到化学平衡状态,B错误;该反应在恒容密闭容器中进行,因该反应为反应前后气体体积改变的反应,随着反应的进行,容器中气体的压强会发生变化,当容器内气体的压强保持不变时,可说明该反应达到了化学平衡状态,C正确;因缺少相关数据,当容器内N2、H2、NH3的物质的量之比为1∶2∶3时,不能判断反应是否达到化学平衡状态,D错误。
(2)①设N2反应了x mol/L,则:
　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始浓度(mol/L) 0.4 0.8 0
转化浓度(mol/L) x 3x 2x
平衡浓度(mol/L) 0.4-x 0.8-3x 2x
平衡时NH3的体积分数为2x0.4-x+0.8-3x+2x=0.2,解得x=0.1,平衡常数K=(0.2mol/L)20.3mol/L×(0.5mol/L)3≈1.1 (L/mol)2。氢气的转化率与氮气、氢气的投入量等有关,K越大,氢气的转化率不一定越高,A错误;生成氨气的量与氮气、氢气的投入量等有关,K越大,氨气的浓度不一定越大,B错误;K越大,表示反应进行的程度越大,即正反应进行得越完全,C正确;K越大,表示反应进行的程度越大,但反应速率不一定越大,D错误。②平衡后再向该容器中充入0.40 mol N2和0.40 mol NH3,则瞬间c(N2)=0.5 mol/L,c(NH3)=0.4 mol/L,c(H2)=0.5 mol/L,浓度商Q=(0.4mol/L)20.5mol/L×(0.5mol/L)3=2.56 (L/mol)2>K,故平衡将向逆反应方向移动。
Ⅱ.(1)由题表中数据可知,升高温度,平衡正向移动,故该反应的正反应为吸热反应,a>0;该反应的正反应为熵增反应,故ΔS>0。
(2)①N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　K1
②2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)　K2
①-32×②可得N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+32O2(g),故K=K1K23/2。