高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控课堂检测

第四节  化学反应的调控

【基础巩固】

1.在合成氨工业中,为了提高NH3的日产量,实施下列措施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700 K左右的高温而不是900 K的高温

D.采用10 MPa~30 MPa的压强

解析:把氨分离出来可以减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,相对较低温度(700 K)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的进行,A、C、D三项都符合平衡移动原理;使用催化剂仅能改变反应速率,与平衡移动无关。

答案:B

2.(2022·广东梅州高二期末)化学反应的调控对于工业生产具有积极意义,下列关于调控措施的说法错误的是 (　　)

A.硫酸工业中,为提高SO2的转化率,通入的空气越多越好

B.工业合成氨,从生产实际条件考虑,不盲目增大反应压强

C.工业合成氨,考虑催化剂的活性选择400~500 ℃的反应温度

D.炼铁高炉的进风口设置在下端有利于燃料充分利用

解析:在实际生产中为了增大SO2的转化率通入稍过量的空气,若空气通入量过多,不仅会增大能源消耗,还会增大动力消耗,对设备的要求也高,A项错误;工业合成氨,从生产实际条件考虑,不盲目增大反应压强,若压强过大,不仅会增大能源消耗,还会增大动力消耗,对设备的要求也高,B项正确;工业合成氨,400~500 ℃时催化剂的活性最大,有利于提高反应速率,提高氨的产量,故选择400~500 ℃的反应温度,C项正确;炼铁高炉的进风口设置在下端,固体从设备顶部加入,有助于固体和气体充分接触,有利于燃料充分利用,D项正确。

答案:A

3.在N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中,当分离出NH3时,下列说法中正确的是 (　　)

A.改变条件后速率—时间图像如图:

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

解析:分离出NH3,导致Q<K,v正>v逆,使平衡向正反应方向移动,N2的转化率增大,由于分离出NH3,使体系中NH3的含量减小。

答案:D

4.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<0,673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法中正确的是 (　　)

A.P点处反应达到平衡

B.Q点(t1时刻)和E点(t2时刻)处n(N2)不同

C.其他条件不变,773 K下反应至t1时刻,n(H2)比图中的Q点的值要大

D.M点的正反应速率比 N点的正反应速率小

解析:P点是氢气和氨的物质的量相等的点,该点以后,氢气的量还在减少,氨的量还在增加,故P点没有达到平衡,A项错误;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Q、E两点氮气的物质的量相等,B项错误; 773 K>673 K,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;反应达到平衡前,M点反应物浓度大于N点反应物浓度,因此M点的正反应速率比N点的正反应速率大,D项错误。

答案:C

5.德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法。如图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.①②③ B.②④⑤

C.①③⑤ D.②③④

解析:②④⑤操作均有利于提高原料转化率。

答案:B

6.合成氨工业的原料气中含有少量CO,CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒),因此,在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO,反应如下:

Cu(NH3)2Ac(aq)+CO(g)+NH3(g)[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)　ΔH<0

(1)醋酸二氨合铜吸收CO的适宜生产条件是　　　　　　　　　。 

(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,醋酸铜氨溶液再生的适宜生产条件是　　　　。 

解析:(1)醋酸二氨合铜吸收CO的反应为气体体积减小的放热反应,降低温度或增大压强,平衡向吸收CO的方向移动,故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反,应采用高温、低压作为生产条件。

答案:(1)低温、高压　(2)高温、低压

【拓展提高】

7.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700 K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,无须考虑设备、条件

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700 K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10 MPa~30 MPa,D项错误。

答案:B

8.(2022·江苏泰州高二期末)用ZSM-5分子筛催化1-丁烯裂解制丙烯的反应体系中,主要发生的反应如下。

反应Ⅰ:3C4H8(g)4C3H6(g)　ΔH=+579 kJ/mol

反应Ⅱ:C4H8(g)2C2H4(g)　ΔH=+283 kJ/mol

已知催化剂ZSM-5分子筛的筛孔径越小,越有利于生成碳原子数少的产物。在0.5 MPa下,上述体系平衡时丁烯、丙烯、乙烯的质量分数与温度的关系如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.图中曲线x表示丁烯的质量分数随温度的变化

B.在0.5 MPa下,该工艺选择的适宜温度为300 ℃

C.C4H8(g)+C2H4(g)2C3H6(g)的ΔH=+296 kJ/mol

D.高于500 ℃,丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在ZSM-5分子筛的筛孔上所致

解析:由图可知,曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系,曲线y为丁烯的质量分数与温度的关系,300 ℃时,乙烯的质量分数最小,丙烯的质量分数最大,当温度高于500 ℃时,催化剂的活性降低导致丙烯质量分数降低。由分析可知,曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系,故A项错误;由分析可知,在0.5 MPa下,500 ℃时,丙烯的质量分数最大,则生成丙烯的适宜温度为500 ℃,故B项错误;由盖斯定律可知,得反应C4H8(g)+C2H4(g)2C3H6(g),则ΔH=

=+148 kJ/mol,故C项错误;因为催化剂 ZSM-5 分子筛的筛孔径越小,越有利于生成碳原子数少的产物。当温度高于500 ℃时,丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在 ZSM-5 分子筛的筛孔上所致,故D项正确。

答案:D

9.下图表示298.15 K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2 mol氨,则反应　　(填“吸热”或“放热”)　　　kJ。 

(2)图中曲线　　　　(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线,铁触媒能增大反应速率的原理是　 　                      。 

(3)合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线c对应的温度为500 ℃,则曲线d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。发生的反应为CH4(g)+H2O (g) CO(g)+3H2(g)　ΔH>0。一定温度下,在1 L 密闭容器中发生上述反应,各物质的物质的量浓度变化如下表:

①表中x=　　　　;前2 min内CH4的反应速率为　　　　　　　　。 

②反应在3~4 min时,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

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2 mol NH3放出(600-508) kJ=92 kJ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,从而增大了反应速率,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d对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线c对应的NH3的体积分数,所以曲线d对应的温度低于曲线c对应的温度。(4)①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)=v(H2)=×=0.05 mol/(L·min)。由表分析2~3 min时,反应达到平衡状态,此时生成H2的浓度为0.3 mol/L。

CH4(g)+H2O (g)CO(g)+3H2(g)　

　　　0.2　  0.3　　　 0　　 0

　　　0.1　  0.2　　　0.1　　0.3

　　　0.1　  0.2　　　0.1　　0.3

　　　0.09　 0.19　　 0.11　 0.33

所以x=0.11。

②3 min时,若充入水蒸气,平衡向右移动,4 min时,水蒸气浓度应大于0.2 mol/L;若升高温度,平衡向右移动,反应物浓度均减小,生成物浓度均增加,而且变化量正好等于化学计量数之比,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,CH4、H2O的浓度均大于

3 min 时的浓度。

答案:(1)放热　92　(2)b　催化剂改变了反应的历程,降低了合成氨反应的活化能　(3)D　(4)①0.11　0.05 mol/(L· min)　②B

【挑战创新】

10.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。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1.0×105 Pa、反应时间3 h):

相应的热化学方程式为N2(g)+3H2O(l)2NH3(g)+O2(g)　ΔH=+765.2 kJ/mol

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较小。请提出可增大其反应速率且增大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

2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)与1.60 mol H2(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。则:

①该条件下N2的平衡转化率为　        。 

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,当前比较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与N2合成氨的新途径

解析:(2)①设反应过程中消耗x mol N2(g)。

N2(g)  +  3H2(g)2NH3(g)　

起始量/mol　　　0.60　　 1.60　　　　　 0

变化量/mol　　　 x　　　 3x　　　　　　2x

平衡量/mol　　 0.60-x　  1.60-3x　　　　 2x

平衡时反应体系总物质的量=[(0.60-x)+(1.60-3x)+2x] mol=(2.20-

2x) mol,NH3(g)的物质的量分数为=,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,c(NH3)= mol/L=0.40 mol/L,

c(N2)= mol/L=0.10 mol/L,c(H2)= mol/L=0.20 mol/L,因此,K==5.0×10-3。

答案:(1)升温、增大N2浓度　(2)①66.7%　②5.0×10-3　③C