高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨测试题

课时分层作业(十三)　

化学反应条件的优化——工业合成氨

 (建议用时：40分钟)

[合格过关练]

1．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O22SO3的说法中正确的是(　　)

A．只要选择适宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3

B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零

C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多

D．在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题

D　[反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，A错；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。]

2．德国哈伯发明以低成本制造大量氨的方法，流程图中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)

A．①②③　　 B．②④⑤　　

C．①③⑤ D．②③④

B　[氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反应是气体体积减小的放热反应。净化气体是防止杂质气体对催化剂的影响，不能提高原料的转化率，①不符合；加压，平衡正向移动，可以提高原料的利用率，②符合；使用催化剂，可以加快反应速率，但平衡不移动，不能提高原料转化率，③不符合；分离出氨气，平衡正向移动，提高了原料的转化率，④符合；氮气和氢气的再循环，可提高原料的转化率，⑤符合。]

3．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，在反应过程中，正反应速率的变化如图所示。

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

B　[t1时反应达到平衡，t1～t2，v正先增大后逐渐减小，说明平衡正向移动，根据ΔH＜0可知，该反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，故t1时不是升高温度，可能是增大压强或者增大反应物的浓度，故A项错误；t2～t3，正、逆反应速率同等程度增大，可能是使用了催化剂，故B项正确；t3～t4，v(正)先减小后逐渐增大，而增大压强，正、逆反应速率都会增大，故C项错误；t4时正反应速率逐渐减小，应是减小反应产物(NH3)的浓度，若是降低温度，则在t4时v(正)应陡降，曲线不连接，故D项错误。]

4．在某恒容密闭容器内，N2、H2的起始物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始反应，在相同条件下欲使平衡时各组分的百分含量相同，则应加入的NH3的物质的量及NH3的转化率为(　　)

A．15 mol,25%   B．20 mol,50%

C．20 mol,75% D．40 mol,80%

C　[从N2、H2开始反应时，N2为10 mol，H2为30 mol，若从NH3开始反应，并且平衡时各组分的百分含量与前者相同，则NH3的物质的量必须是20 mol，故A、D项错误。设从NH3开始反应时，NH3转化的物质的量为x，则有20 mol－x＝2×10 mol×25%，解得x＝15 mol，故NH3的转化率为×100%＝75%。]

5．(素养题)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

D　[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，因此答案选D。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。]

6．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　)

A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响

B．都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响

D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果

C　[对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。故答案为C。]

7．(双选)一定条件下，将10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密闭容器中，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并达到平衡状态，则H2的转化率可能是(　　)

A．15%   B．18% 

C．30% D．75%

AB　[对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。利用“极值法”，假设N2完全转化，则消耗的H2的物质的量为n(H2)＝3n(N2)＝3.0 mol，但事实上，N2是不可能完全转化的，因而消耗的H2的物质的量一定小于3.0 mol，故H2的转化率α(H2)＜×100%＝30%。综上所述，本题选AB。]

8．某温度下，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．将1 mol N2和3 mol H2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

C　[该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。]

9．在反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0的平衡体系中，当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时，下列说法正确的是(　　)

A．t1时刻后的速率变化如图所示

B．t1时刻后达到新平衡前Q＞K

C．新平衡体系中NH3的含量增大

D．N2的平衡转化率增大

D　[分离出NH3，使体系中NH3的含量减小，则达到新平衡前Q＜K，v(正)＞v(逆)，平衡向正反应方向移动，故N2的平衡转化率增大。]

10．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，下列研究结果和图示相符的是(　　)

C　[A项由于p1条件先达到平衡，故p1＞p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，故错误；B项由于此反应ΔH＜0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，故错误；C项增大N2的量，会使正反应速率增大，使化学平衡右移，故正确；D项使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，故错误。]

11．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)2]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH＜0。

(1)必须除去原料气中CO的原因是___________________________________

________________________________________________________________。

(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件应是________________。

(3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是________。

[解析]　分析吸收CO反应的特点：正反应是气体体积缩小的放热反应，对于这样一个可逆反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。

[答案]　(1)防止合成塔中的催化剂中毒　(2)低温、高压　(3)高温、低压

12．一密封体系中发生反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反应为放热反应)。如图为某一时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：

回答下列问题：

(1)处于平衡状态的时间段是__________________。

(2)t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？______________、______________、______________。

[解析]　本题主要是学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在此条件下反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v(逆)＞v(正)，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，故温度升高，v(逆)＞v(正)。图中t3时刻速率增大，而且变化过程中v(逆)＝v(正)，说明平衡未被打破，所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻的变化，v′(逆)、v′(正)都减小且v′(逆)>v′(正)，所以改变条件应为减小压强。

[答案]　(1)0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6

(2)温度升高　加入催化剂　减小压强

13．利用水煤气合成二甲醚(CH3OCH3)所涉及的反应如下：

①2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)，平衡常数K1；

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，平衡常数K2；

③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，平衡常数K3。

(1)总反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的平衡常数K＝________(用K1、K2、K3表示)。

(2)一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以采取的措施有________(填字母代号)。

a．加压　b．加入催化剂　c．增大H2的浓度　d．增大CO的浓度　e．分离出二甲醚

(3)已知反应②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)在某温度下的平衡常数为400。此温度下，在密闭容器中加入CH3OH，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

若经10 min反应达到平衡，则c(CH3OH)＝________。

[解析]　(1)总反应可由①×2＋②＋③得到，即K＝KK2K3。(2)总反应是气体体积减小的反应，所以加压，平衡右移；增大反应物H2的浓度、减小产物的浓度，都会使CO的转化率升高。(3)初始时CH3OH的浓度为0.44 mol·L－1＋2×0.6

mol·L－1＝1.64 mol·L－1，设平衡时CH3OCH3的浓度为x mol·L－1，则

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)

  1.64            0         0

   2x             x         x

   1.64－2x        x         x

则平衡常数K＝＝400，x＝0.8，平衡时CH3OH的浓度为1.64

mol·L－1－0.8 mol·L－1×2＝0.04 mol·L－1。

[答案]　(1)KK2K3　(2)ace　(3)0.04 mol·L－1

[素养培优练]

14．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(　　)

A．p2＞p1＞p3   B．p2＞p3＞p1

C．p2＞p1＞p3 D．p2＞p1＝p3

B　[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。]

15．一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率

(　　)

A．a中大   B．b中大

C．a、b中一样大 D．无法判断

A　[由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。]

16．(双选)相同温度下，有体积相同的甲、乙两个恒容容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是(　　)

A．化学反应速率：乙＞甲

B．平衡后N2的浓度：乙＞甲

C．H2的平衡转化率：乙＞甲

D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙＞甲

CD　[因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确。假设开始时乙容器的体积也是甲的2倍(如图所示)，则此时甲、乙两容器中达到的平衡是等效平衡。再将乙容器的体积压缩至与甲相等(如图中丙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C、D项错误。此时，丙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但丙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而丙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，B项正确。]

17．一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应如下：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1，研究发现，反应过程中会有副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，温度对CH3OH、CO产率的影响如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．ΔH1＜0，ΔH2＞0

B．增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率

C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率

D．合成CH3OH反应的平衡常数K＝　

C　[A项，根据图像可知，升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)向逆反应方向移动，ΔH1＜0，升高温度CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)向正反应方向移动，ΔH2＞0，正确；B项，增大压强(缩小容器体积)有利于提高合成CH3OH的反应速率，正确；C项，由图像可知，温度越高CH3OH的产率越低，错误；D项，根据化学平衡常数的概念，合成CH3OH反应的平衡常数K＝，正确。]

18．工业上一般在恒容密闭容器中采用下列反应合成甲醇：

CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＜0

　　　　　          　图1　　　　  　　　图2

(1)图1表示的是一定温度下，在体积为2 L的密闭容器中加入5 mol H2和一定量的CO后，CO和CH3OH(g)的浓度随时间的变化情况。反应在10 min时达到平衡，从反应开始到达到平衡，用H2表示的平均反应速率v(H2)＝____________________________________________________________________。

(2)图2表示在温度分别为T1、T2时，平衡体系中H2的体积分数随压强变化的曲线，A、C两点的反应速率A________C(填“＞”“＝”或“＜”，下同)，A、C两点的化学平衡常数A________C，由状态B到状态A，可采用________(填“升温”或“降温”)的方法。

(3)恒容条件下，下列措施能使减小的是________。

A．升高温度

B．充入He

C．再充入2 mol CO和5 mol H2

D．使用催化剂

[解析]　(1)由图1可知，起始时CO为2 mol，反应中减少的CO的浓度为1.00 mol·L－1－0.25 mol·L－1＝0.75 mol·L－1，10 min时达到平衡，则用CO表示的化学反应速率为＝0.075 mol·L－1·min－1，因反应速率之比等于系数之比，则v(H2)＝0.075 mol·L－1·min－1×2＝0.15 mol·L－1·min－1。(2)压强越大化学反应速率越大，压强：A＜C，所以反应速率：A＜C；化学平衡常数只与温度有关，A、C两点温度相同，所以化学平衡常数相同；相同压强下，从B到A，氢气体积分数增大，平衡需逆向移动，因正反应是放热反应，故平衡向吸热反应方向移动，需采用升温的方法。(3)该反应正反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，减小，A项正确；充入He，使体系压强增大，因容器的容积不变，故体系中各物质的浓度不变，平衡不移动，不变，B项错误；再充入2 mol CO和5 mol H2，相当于对原平衡加压，平衡正向移动，增大，C项错误；使用催化剂，平衡不移动，不变，D项错误。

[答案]　(1)0.15 mol·L－1·min－1　(2)＜　＝　升温　(3)A