化学选择性必修1第四节 化学反应的调控习题

这是一份化学选择性必修1第四节 化学反应的调控习题，共5页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。

A 级·基础达标练
一、选择题
1．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( C )
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
解析：使用催化剂只加快反应速率，对化学平衡移动没有影响，故A说法错误；升高温度，加快反应速率，合成氨为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨，故B说法错误；合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，增大压强，加快反应速率，缩短达到平衡状态所用时间，故C说法正确；合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，考虑对材料的强度和设备的制造要求，与铁触媒的活性之间无关系，故D说法错误。
2．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( C )
①增大容器体积使压强减小 ②减小容器体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．只有②⑤ D．①②③⑤⑧
解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②④⑤⑦使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑥⑧不影响化学平衡，①③使化学平衡向左移动。
3．合成氨反应通常控制在10 MPa～30 MPa的压强和400～500 ℃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( D )
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
解析：这说明实际合成氨工业中需要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。
二、非选择题
4．2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·ml－1，在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)
化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；
表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NHeq \\al(*,2)；NHeq \\al(*,2)＋H*NHeq \\al(*,3)
脱附：NHeq \\al(*,3)===NH3(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_AD__。
A．低温 B．高温
C．低压 D．高压
E．催化剂
(2)实际生产中，常用Fe作催化剂，控制温度773 K，压强3.0×107 Pa，原料中N2和H2物质的量之比为12.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由_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速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率__。
解析：(1)eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·ml－1是气体体积减小的放热反应。低温有利于平衡正向进行，提高氨气产率，故A正确；高温平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故B错误；低压平衡逆向进行，不利于提高氨气产率，故C错误；高压平衡正向进行，利于提高氨气产率，故D正确；催化剂只改变反应速率，不改变化学平衡，不能提高氨气产率，故E错误。
(2)原料中N2和H2物质的量之比为12.8，原料气中N2过量的两个理由：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速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。
5．二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”。由合成气制备二甲醚的主要原理如下：
①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
ΔH1＝－111 kJ·ml－1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)
ΔH2＝－23.5 kJ·ml－1
③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
ΔH3＝－41.2 kJ·ml－1
回答下列问题：
(1)则反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝_－286.7__kJ·ml－1。
(2)下列措施中，能提高CH3OCH3产率的有_AC__。
A．使用过量的CO
B．升高温度
C．增大压强
(3)反应③能提高CH3OCH3的产率，原因是_消耗了反应②生成的H2O(g)，有利于反应②正向进行，同时生成了H2有利于反应①正向移动__。
(4)将合成气以eq \f(nH2,nCO)＝2通入1 L的反应器中，一定条件下发生反应：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH，其CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图1所示，下列说法正确的是_A__。
A．ΔH<0
B．p1C．若在p3和316 ℃时，起始时eq \f(nH2,nCO)＝3，则达到平衡时，CO转化率小于50 %
(5)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu－Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚。观察图2回答问题。催化剂中eq \f(nMn,nCu)约为_2.0__时最有利于二甲醚的合成。
(6)甲醇液相脱水法制二甲醚的原理是CH3OH＋H2SO4===CH3HSO4＋H2O，CH3HSO4＋CH3OH===CH3OCH3＋H2SO4。与合成气制备二甲醚比较，该工艺的优点是反应温度低、转化率高，其缺点是_H2SO4腐蚀设备或有硫酸废液产生__。
解析：(1)根据盖斯定律，①×2＋②＋③得3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g) ΔH＝－286.7 kJ·ml－1。
(2)增大反应物的浓度平衡正移，所以使用过量的CO，能提高CH3OCH3产率，故A正确；该反应为放热反应，升高温度平衡逆移，则CH3OCH3产率会降低，故B错误；该反应正方向为气体体积减小的方向，所以增大压强平衡正移，能提高CH3OCH3产率，故C正确。
(3)已知反应③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，能消耗水，使反应②中平衡正向移动，所以CH3OCH3的量增加；同时此反应生成了H2，有利于反应①正向移动。
(4)由图可知随温度升高，CO的转化率降低，说明升高温度平衡逆移，则正方向为放热反应，故ΔH<0，故A正确；该反应正方向为气体体积减小的方向，增大压强CO的转化率增大，所以p1>p2>p3，故B错误；若在p3和316 ℃时，起始时eq \f(nH2,nCO)＝3，则增大了氢气的量，增大氢气的浓度，平衡正移，CO的转化率增大，所以CO转化率大于50%，故C错误。
(5)由图可知当催化剂中eq \f(nMn,nCu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。
(6)该反应有硫酸参加，因为硫酸是强酸，具有较强的腐蚀性，能腐蚀设备。
B 级·能力提升练
一、选择题
1．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是( A )
A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为13时，达到平衡时氨的体积分数最大
B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量
C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为32
D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同
解析：当氮气和氢气投料比为13时，v(N2)v(H2)＝13，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决于起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为32，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。
2．某工业生产中发生反应：2X(g)＋Y(g)2M(g) ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是( D )
A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成
B．若物质Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高M的日产量
解析：虽然高压条件有利于M生成，但不一定都采用高压条件，如2SO2＋O22SO3，常压下SO2的转化率已经很高，高压对SO2的转化率影响不大，因而工业上采用常压；加入Y，X的转化率提高，但Y的转化率降低；ΔH<0，升高温度，反应物转化率降低；催化剂可加快化学反应速率。
3．对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在一密闭容器中加入一定量的N2和H2，达到平衡时混合气体的压强为p1，迅速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2，一段时间后达到新的平衡，此时混合气体的压强为p3，则p1、p2、p3的大小关系是( B )
A．p2>p1>p3 B．p2>p3>p1
C．p2>p1>p3 D．p2>p1＝p3
解析：根据勒夏特列原理，改变某一外界条件时，平衡只能向减弱这种改变的方向移动。
4．已知：2SO2(g)＋O2(g)===2SO3(g) ΔH＝－197.8 kJ·ml－1。起始反应物为SO2和O2(物质的量之比为21，且总物质的量不变)SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是( B )
A．一定压强下降低温度，SO2的转化率增大
B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等
C．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D．工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高
解析：由表格数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，一定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO2的转化率增大，A正确；由于在不同温度、压强下，化学反应速率不一定相等，故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等，B错误；催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短到达平衡所花的时间，C正确；由图中数据可知，不同温度下，1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%，97.5%，93.5%，已经相当高了，且加压后转化率升高并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。
二、非选择题
5．甲醇是一种重要的有机化工原料，需求量巨大。我国独创的联醇工艺的核心是采用一氧化碳加氢中压合成法，主要反应如下：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝－111.0 kJ·ml－1
另有副反应：4CO＋2H2O===3CO2＋CH4等；中压法操作：压力为10～15 MPa，温度控制在513～543 K，所用催化剂是CuO－ZnO－Al2O3。合成甲醇的流程如图所示：
请回答：
(1)实际生产中CO不能过量，以免生成羰基铁使催化剂失去活性，而氢气过量是有益的，指出两点理由：_既可以防止或减少副反应发生，又可带走反应热避免催化剂过热而中毒__。
(2)采取10～15 MPa压力的作用是_加压有利于提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力__；温度控制在513～543 K的原因是_此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大__。
(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，该反应的化学方程式为 H2S＋CaO===CaS＋H2O 。
(4)若CO的转化率为80%，当有22.4 m3(标准状况)CO与过量H2充分反应(不计其他副反应)，可制得纯度为96%的甲醇的质量为_26.67__kg，同时获得热量_8.88×104__kJ。
解析：(1)氢气过量提高一氧化碳的转化率，防止副反应发生，大量的气流又可带走反应放出的热量。
(2)CO(g)＋2H2 (g)===CH3OH(g) ΔH＝－111.0 kJ·ml－1，正反应是气体体积缩小的反应，增大压强虽然有利于平衡正向移动，提高甲醇的产量，提高CO转化率，但也增加了能源消耗和设备强度，故宜采取经济效益较好的压力；正反应是放热反应，从有利于甲醇生成的角度考虑应是低温，但温度过低达不到催化剂的活性，所以此温度下催化剂活性较高，甲醇产率较大。
(3)原料气中的H2S对铜催化剂影响很大，故应先除去，通常用生石灰除杂，生成硫化钙和水，所以反应的化学方程式为H2S＋CaO===CaS＋H2O。
(4)根据CO(g)＋2H2 (g)CH3OH(g)得1 ml的一氧化碳生成32×10－3 kg的甲醇，22.4 m3(标准状况)的物质的量为eq \f(22.4×103,22.4)＝103 ml，所以可制得纯度为96%的甲醇的质量为eq \f(103×80%×32×10－3,96%)≈26.67 kg，根据CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH＝－111.0 kJ·ml－1，1 ml CO完全反应放出111 kJ的热量，103 ml×80%＝800 ml，所以放出热量为111×800＝8.88×104(kJ)。
6．工业合成氨的反应为：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·ml－1
(1)根据下表数据计算x＝_946__。
(2)在体积为V L的恒容密闭容器中发生上述反应，其平衡常数K与温度T的关系如表：
①判断K1_>__K2。(填“>”“＝”或“<”)
②398 K时进行合成氨反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_AC__。(填字母)
A．混合气体的平均摩尔质量保持不变
B．v正(N2)＝3v逆(H2)
C．容器内压强保持不变
D．混合气体的密度保持不变
(3)甲同学为了探究外界条件对反应的影响，以c0 ml·L－1H2参加合成氨反应，在a、b两种条件下分别达到平衡，测得H2的浓度与反应时间的关系如图甲所示。
①a条件下，0～t0的平均反应速率v(N2)＝ eq \f(c0－c1,3t0) ml·L－1·min－1。
②相对a而言，b可能改变的条件是_增加N2浓度__。
③在a条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的eq \f(1,2)，t2时刻重新建立平衡状态。则图甲中在t1到t2时刻c(H2)的变化曲线可能为_B__(填“A”“B”“C”或“D”)。
(4)乙同学向一恒温恒压容器中充入9 ml N2和23 ml H2，模拟合成氨的反应，图乙表示温度T时平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(p)的关系。若体系在60 MPa下达到平衡。
①此时N2的平衡分压为_9__MPa。(分压＝总压×物质的量分数)
②经计算可得此时的平衡常数Kp＝_0.043_MPa－2__。(用平衡分压代替平衡浓度计算，结果精确到0.001)
解析：(1)ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能＝[(x＋3×436)－(2×3×386)] kJ·ml－1＝－92 kJ·ml－1，解得x＝946。
(2)①反应ΔH<0，说明反应放热，升高温度反应逆向进行，则温度越高K值越小，所以K1>K2；②反应前后质量守恒，m不变，气体物质的量发生改变，所以平均摩尔质量改变，混合气体的平均摩尔质量保持不变可以说明反应达到平衡状态，故A正确；3v正(N2)＝v逆(H2)，反应达到平衡，故B错误；该反应前后气体分子数发生变化，恒容，容器内压强保持不变，说明各组分含量保持不变，反应达到平衡，故C正确；根据ρ＝m/V，混合气体总质量不变，恒容V不变，气体的密度始终保持不变，不能说明反应达到平衡，故D错误，故选AC。
(3)①a条件下，0－t0时间内，Δc(H2)＝(c0－c1)ml·L－1，发生反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，则Δc(N2)＝eq \f(1,3)Δc(H2)＝eq \f(c0－c1,3) ml·L－1，所以a条件下，0～t0的平均反应速率v(N2)＝eq \f(ΔcN2,t0)＝eq \f(c0－c1,3t0) ml·L－1·min－1；②a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的浓度减小，说明平衡正向移动，所以改变的条件是增大N2浓度；③a条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的一半，则在t1时刻，c(H2)变为原来的2倍，随着反应进行，H2浓度降低，但建立新平衡时，不会比原平衡时浓度低，所以符合的为曲线B，故选为B。
(4)①发生的反应为：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
起始(ml) 9 23 0
变化(ml) x 3x 2x
平衡(ml) 9－x 23－3x 2x
体系在60 MPa下达到平衡，NH3的体积分数为60%，则eq \f(2x,9－x＋23－3x＋2x)×100%＝60%，可得x＝6，平衡时N2的平衡分压为eq \f(9－6,9－6＋23－3×6＋2×6)×60 MPa＝9 MPa，②平衡时p(N2)＝9 MPa，p(H2)＝15 MPa，p(NH3)＝36 MPa，所以Kp＝eq \f(p2NH3,pN2p3H2)＝eq \f(36 MPa2,9 MPa×15 MPa3)＝0.043 MPa－2。压强
20 MPa
30 MPa
500 ℃
19.1
26.4
温度/K
压强/(105 Pa)
1.01
5.07
10.1
25.3
50.7
673
99.2
99.6
99.7
99.8
99.9
723
97.5
98.9
99.2
99.5
99.6
773
93.5
96.9
97.8
98.6
99.0
化学键
H—H
N—H
N≡N
键能/kJ·ml－1
436
386
x
T/K
298
398
498
平衡常数K
4.1×106
K1
K2