第2章　第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 试卷

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

课后篇素养形成

必备知识基础练

1.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。下列是哈伯法合成氨的流程图,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

答案B

解析合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动,②④符合题意;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,⑤符合题意。

2.

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),673 K,30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是(　　)

A.点a的正反应速率比点b的小

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,773 K条件下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大

答案D

解析a点的反应物浓度大于b点,所以反应速率a更快;c点的时候各种物质的浓度仍在变化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。

3.对于合成氨工业,只从提高原料转化率看,从下列条件中选择最适宜的组合是(　　)

①高温　②低温　③低压　④高压　⑤催化剂

⑥加氨　⑦分离出氨

A.②④⑤ B.②④⑦ C.①④⑤ D.②③⑥

答案B

解析合成氨反应为N2+3H22NH3　ΔH<0,因而可知降低温度有利于反应向生成氨气的方向进行;从气体各物质化学式前的系数来看,加压有利于反应向生成氨气的方向进行;加催化剂只会改变速率却无法改变转化率;及时分离反应产物也有利于反应向生成氨气的方向进行。故综上所述②④⑦符合题意。

4.合成氨反应通常控制在20~50 MPa的压强和500 ℃左右的温度,且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3,经科学测定,在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:

而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%,这表明(　　)

A.表中所测数据有明显误差

B.生产条件控制不当

C.氨的分解速率大于预测值

D.合成塔中的反应并未达到平衡

答案D

解析表中数据为通过科学实验所得,不可能有明显误差;合成氨连续操作,不可能对生产条件控制不当;平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系,因此D项符合题意。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题,并未让合成氨反应达到平衡,因为让反应达到平衡需要一定的时间,时间太长得不偿失。

5.将氮气和氢气的混合气体通入合成塔中,反应1小时达到平衡以后,N2、H2、NH3的浓度分别为3 mol·L-1、7 mol·L-1、4 mol·L-1,则下列结果不正确的是(　　)

A.v(H2)始=7 mol·L-1·h-1

B.c始(H2)=13 mol·L-1

C.c始(N2)=5 mol·L-1

D.H2的转化率为46.2%

答案A

解析由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4 mol·L-1,说明转化了4 mol·L-1,则由化学方程式中化学式前面的系数关系知N2消耗了2 mol·L-1,H2消耗了6 mol·L-1,所以c始(H2)=13 mol·L-1,c始(N2)=5 mol·L-1,H2的转化率为×100%=46.2%。

6.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图:

下列说法正确的是(　　)

A.t1时升高了温度 B.t2时使用了催化剂

C.t3时增大了压强 D.t4时降低了温度

答案B

解析若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错误;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,故C错误;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错误。

7.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为3∶1∶1,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4,则此时氮气的转化率为(　　)

A.10% B.20% C.15% D.30%

答案A

解析由题意设开始时H2、N2、NH3的物质的量分别为3 mol、1 mol、1 mol。平衡时N2转化了a mol,则根据“三段式”分析:

　　　　　　　N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

初始物质的量/mol 1 3 1

转化物质的量/mol a 3a 2a

平衡物质的量/mol 1-a 3-3a 1+2a

则,解之得a=0.1。

N2的转化率为×100%=10%。

8.在一定温度下,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。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较(　　)

A.a大 B.b大

C.a、b一样大 D.无法判断

答案A

解析先假设a容器开始时也保持容积不变,则达到平衡时容器a中N2的转化率与容器b中N2的转化率相等,但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。由于容器a恒压,若要保持开始时的压强,必然要缩小容器a的容积,则平衡会正向移动。因此再次达平衡时,N2的转化率会增大。

9.在450 ℃时发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH<0。若体系中只改变下列条件,请把影响结果填入表中。

答案(1)增大　增大　正向移动　减小

(2)增大　增大　逆向移动　减小

(3)减小　减小　正向移动　增大

(4)增大　增大　正向移动　增大

(5)增大　增大　逆向移动　减小

(6)增大　增大　不移动　不变

(7)不变　不变　不移动　不变

关键能力提升练

10.(双选)在密闭容器中进行如下反应:N2+3H22NH3　ΔH<0,当反应达到平衡时,其他条件不变,若压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,则下列说法中正确的是(　　)

A.平衡不移动

B.平衡向正反应方向移动

C.平衡向逆反应方向移动

D.NH3的百分含量增加

答案BD

解析压缩容器容积使平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍,则平衡向气体体积减小的方向移动,故平衡向正反应方向移动,使NH3的百分含量增加。

11.

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

答案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,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

12.合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下:

关于合成氨工业的说法中不正确的是(　　)

A.混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想

B.合成氨反应须在低温下进行

C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率

D.使用催化剂可以提高反应的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动

答案B

解析低温虽然有利于平衡正向移动,但低温会导致反应速率降低,不利于提高生产效率,B项错误。

13.(双选)对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是(　　)

A.达到平衡后,加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小

B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率

C.达到平衡后,缩小容器容积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高氢气的转化率

D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为催化剂改变反应途径,降低反应的活化能

答案CD

解析达到平衡后,加入N2,平衡向正反应方向移动,达到新平衡后,NH3的浓度会增大,而N2的浓度比原平衡的大,A项错误;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH3的生成,B项错误;达到平衡后,缩小容器容积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,又有利于提高H2的转化率,C项正确;加入催化剂,改变了反应途径,降低了反应的活化能,从而缩短反应达到平衡的时间,D项正确。

14.下列是关于N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图像,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t。当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系不符合实际的是(　　)

答案A

解析合成氨反应是气体体积减小的放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A项错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B项正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C项正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增大,所以正反应速率增大,分离出NH3,反应产物的浓度减小,所以逆反应速率减小,所以D项正确。

15.将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中,在一定条件下,发生如下反应并达到平衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时,下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是(　　)

答案A

解析升高温度,平衡逆向移动,则N2的转化率变小,A正确;压缩容积使压强增大,平衡正向移动,由于容器的容积减小,则达到新平衡后N2的浓度仍变大,B错误;充入一定量的H2,平衡正向移动,N2的转化率增大,但H2的转化率减小,C错误;使用适当催化剂,可改变化学反应速率,但平衡不移动,则N2的体积分数不变,D错误。

16.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义,对我国实现农业现代化也起着重要作用。根据已学知识回答下列问题[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4 kJ·mol-1]:

(1)合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是　　　　　(填序号)。 

A.采用较高压强(20~50 MPa)

B.采用500 ℃的高温

C.用铁触媒作催化剂

D.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来

(2)合成氨工业中采用了较高压强(20~50 MPa),而没有采用100 MPa或者更大压强,试解释没有这么做的理由　。 

(3)在容积均为2 L(容器体积不可变)的甲、乙两个容器中,分别加入2 mol N2、6 mol H2和1 mol N2、3 mol H2,在相同温度、催化剂下使其反应。最终达到平衡后,两容器N2转化率分别为α甲、α乙,则甲容器中平衡常数为　　　　　(用含α甲的代数式表示),此时α甲　　　　　α乙(填“>”“<”或“=”)。 

答案(1)BC

(2)采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备,从而增加生产成本(其他合理答案也可)

(3)　>

解析(1)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;500 ℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动;采用500 ℃不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500 ℃左右催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率,不改变平衡移动;生成氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度,平衡正向移动。

(2)采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。

(3)在甲容器中,反应的N2为2 mol×α甲,则有

　　　　　N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

初始物质的量/mol 1 3 0

转化物质的量/mol α甲 3α甲 2α甲

平衡物质的量/mol 1-α甲 3-3α甲 2α甲

则K=。

甲与乙相比,相当于在乙平衡的基础上增大压强,平衡正向移动,即甲容器中的平衡正向移动的程度更大,所以α甲>α乙。

学科素养拔高练

17.电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,下列说法不正确的是(　　)

A.N2生成NH3是通过多步还原反应实现的

B.两个氮原子上的加氢过程同时进行

C.析氢反应(H*+H*H2)会影响NH3的生成

D.NH3的及时脱附有利于提高催化剂活性

答案B

解析由图可知,N2生成NH3是通过N2→*N2→*NNH……NH3多步还原反应实现的,故A不符合题意;由图可知,加氢过程是分步进行的(*N2→*NNH→*NHNH),故B符合题意;析氢反应(H*+H*H2)会导致NH3中H不足,从而影响NH3的生成,故C不符合题意;NH3的及时脱附,能够增加催化剂与反应物的接触面积,即有利于增加催化剂活性,故D不符合题意。

18.合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。

N2和H2生成NH3的反应为:N2(g)+H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe做催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态)

化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*

表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*N;N+H*N

脱附:NNH3(g)

其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答:

(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有　　　　　(填字母)。 

A.低温　B.高温　C.低压　D.高压　E.催化剂

(2)标准平衡常数Kθ=,其中pθ为标准压强(1×105 Pa),p(NH3)、p(N2)和p(H2)为各组分的平衡分压,如p(NH3)=x(NH3)p,p为平衡总压,x(NH3)为平衡体系中NH3的物质的量分数。

①N2和H2起始物质的量之比为1∶3,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则标准平衡常数Kθ=　　　　　　　　　　　　　　　(用含w的最简式表示)。 

②下图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是　　　　　。 

(3)实际生产中,常用工艺条件:Fe做催化剂,控制温度为773 K、压强为3.0×105 Pa,原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。

①分析说明原料气中N2过量的理由　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

②关于合成氨工艺的下列理解,正确的是　　　(填字母)。 

A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零

B.控制温度(773 K)远高于室温,是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率

C.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率

D.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行

E.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生

答案(1)AD　(2)①　②A

(3)①原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决定整体反应速率的主要步骤,N2适度过量有利于提高整体反应速率　②ADE

解析(1)合成氨反应是气体分子数减小的放热反应,所以低温、高压有利于提高合成氨的平衡产率,A、D正确。

(2)①Kθ==

　　N2(g)+H2(g)NH3(g)

起始/mol  0

平衡/mol a a a

根据题意得:=w

Kθ=

=

=

=。

②温度升高,平衡左移,标准平衡常数减小,应选A。

(3)①N2在空气中大量存在,容易得到,所以N2可适度过量,以便提高H2的转化率;②根据合成氨反应的特点及平衡移动原理分析可知,A、D、E正确。