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高中化学沪科技版（2020）选择性必修12.4工业合成氨精品课时练习
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这是一份高中化学沪科技版（2020）选择性必修12.4工业合成氨精品课时练习，文件包含24工业合成氨分层练习原卷版docx、24工业合成氨分层练习解析版docx等2份试卷配套教学资源，其中试卷共31页， 欢迎下载使用。
课后分层练
1．下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
[答案] D
[解析] A项，在合成氨工业中应选择一个合适的投料比[n(N2)∶n(H2)]，并不是充入的N2越多越有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下该反应能自发进行。
2．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，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
[答案] C
[解析] 对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂能提高反应速率，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。
3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是( )
A．使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
[答案] B
[解析] 使用催化剂，对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符合题意；合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应，故加压有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700 K左右是考虑催化剂的活性，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。
4．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是( )
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B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B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，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
[答案] D
[解析] 加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。
5．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤ D．②③⑤⑧
[答案] C
[解析] 根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。
6．下列事实能用勒夏特列原理解释的是( )
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深
C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
[答案] D
[解析] A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释；C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取500 ℃左右，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。
7．对于合成氨反应，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
[答案] B
[解析] A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。
8．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )
[答案] C
[解析] 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，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，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，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，错误。
9．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，其反应为Cu(NH3)2Ac(aq)＋CO(g)＋NH3(g)[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)(正反应为放热反应)。
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是 。
(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，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是 。
[答案] (1)低温、高压 (2)高温、低压
[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。
10.在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up12(V2O5),\s\d4(△))2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·ml－1
(1)根据反应特点，利用原理分析，增大反应速率的措施有 ，增大原料转化率的措施有 。
(2)利用下表实验数据回答问题：
①应选择的温度是 ，理由是 。
②应采用的压强是 ，理由是 。
[答案] （1）增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高温度，选用合适的催化剂 增大压强，降低温度(合理即可)
(2)①450 ℃ 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高
②1×105Pa 该压强下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。
11.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up12(催化剂),\s\d4(△))2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·ml－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是 。
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是 。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是 。
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是 。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是 。
[答案] (1)450 ℃、10 MPa
(2)在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2转化率会降低
(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本
(4)增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率
(5)防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)
1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列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
[答案] B
[解析]②④⑤操作均有利于化学平衡向合成氨的方向移动，提高转化率。
2．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400～500 ℃，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，无需考虑设备、动力
[答案] B
[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，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，总体来说合成氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃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10～30 MPa，D项错误。
3．下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
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
[答案] C
[解析] 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。
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。下列说法正确的是( )
A．c点处反应达到平衡
B．d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d点的值要大
D．a点的正反应速率比b点的小
[答案] C
[解析] c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c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d、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，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。
5.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－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 ml氮气、3 ml氢气置于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变为B时，平衡常数K(A)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
[答案] C
[解析] 该反应为可逆反应，加入的1 ml N2和3 ml 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。
6．相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，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
[答案] D
[解析] 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是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)，
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项正确、D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。
7．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是( )
A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
[答案] B
8．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的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1×107～3×107 Pa的压强
[答案] B
[解析] 把氨分离出来是减小生成物浓度，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都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。
9．合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是( )
①降低温度 ②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓度
A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤
[答案] C
[解析] 增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。
10．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g) ΔH<0，下列说法正确的是( )
A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率
B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大
C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率
D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率
[答案] B
11.某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g) ΔH<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。下列说法正确的是( )
①两种催化剂均能降低反应的活化能，但ΔH均不变
②相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
③曲线 Ⅱ 中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右
④a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率
⑤若低于200 ℃，图中曲线 Ⅰ 脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂的活性不高
A．①②③ B．①③④
C．②③④ D．①③⑤
[答案] D
[解析] ①催化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的ΔH，正确；②该反应为气体分子数减小的反应，改变压强平衡发生移动，则改变压强对脱氮率有影响，错误；③由图可知，曲线 Ⅱ 中450 ℃左右脱氮率最大，则曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右，正确；④因为该反应是放热反应，降低温度，平衡正向移动，则a点对应温度下的平衡脱氮率应大于450 ℃下的脱氮率，错误；⑤催化剂的活性受温度的影响，则低于200 ℃时，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂的活性不高，正确。
12.CH4－CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝＋247 kJ·ml－1，同时存在以下反应：CH4(g)C(s)＋2H2(g) ΔH＝＋75 kJ·ml－1(积碳反应), CO2(g)＋C(s)2CO(g) ΔH＝＋172 kJ·ml－1(消碳反应)，假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳
B．增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C．升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大
D．温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
[答案] B
[解析] 反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)和CH4(g)C(s)＋2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应，增大压强，平衡均逆向移动，可减少积碳量，但CH4的平衡转化率降低，A项错误；假设CH4的物质的量不变，增大CO2的物质的量，CO2与CH4的物质的量之比增大，对于反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，平衡正向移动，CH4的浓度减小；对于积碳反应CH4(g)C(s)＋2H2(g)，由于甲烷浓度减小，平衡逆向移动，碳含量减少；对于消碳反应CO2(g)＋C(s)2CO(g)，平衡正向移动，碳含量也减少，综上分析，增大CO2与CH4的物质的量之比，有助于减少积碳，B项正确；平衡常数只与温度有关，积碳反应和消碳反应都是吸热反应，升高温度，平衡均正向移动，两个反应的平衡常数都增大，C项错误；根据图像，温度高于600 ℃，积碳量减少，但温度升高，体系中所有反应的反应速率都加快，D项错误。
13．某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g) ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是( )
A．t2时加入催化剂
B．t3时降低了温度
C．t5时增大了压强
D．t4～t5时间内转化率一定最低
[答案] A
[解析] 合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。
14.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
[答案] D
[解析] 分离出NH3，Qv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。
15．一定温度下，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
[答案] A
[解析] 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．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：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，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如下：
N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g) ΔH＝＋765.2 kJ·ml－1
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慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议： 。
(2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 ml N2(g)和1.60 ml 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eq \f(4,7)。计算：
①该条件下N2的平衡转化率为 。
②该条件下反应2NH3(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为 。
③根据合成氨反应的特点分析，当前最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和N2合成氨的新途径
[答案] (1)升温、增大N2浓度(合理即可)
(2)①66.7% ②5.0×10－3 ③c
[解析] (2)①设反应过程消耗x ml N2(g)，
N2(g) ＋ 3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g)
起始/ml 0.60 1.60 0
平衡/ml 0.60－x 1.60－3x 2x
平衡时反应体系总物质的量为[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x] ml＝(2.20－2x) ml，NH3(g)的物质的量分数为eq \f(2x,2.20－2x)＝eq \f(4,7)，解得x＝0.40，N2的平衡转化率为eq \f(0.40 ml,0.60 ml)×100%≈66.7%。
②设此时反应2NH3(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K，平衡时，c(NH3)＝eq \f(2×0.40,2.0) ml·
L－1＝0.40 ml·L－1 ，c(N2)＝eq \f(0.60－0.40,2.0) ml·L－1＝0.10 ml·L－1，c(H2)＝eq \f(1.60－3×0.40,2.0) ml·
L－1＝0.20 ml·L－1，K＝eq \f(cN2·c3H2,c2NH3)＝5.0×10－3。
17.在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)如图所示，请回答下列问题：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是 。
(2)此可逆反应的正反应是 热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由： 。
[答案] (1)A、B (2)放 (3)AC曲线是平衡前的氨气质量分数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是平衡后的氨气质量分数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
[解析] (1)从图中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。
(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。
18．近年来我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展。回答下列问题：
(1)已知：CO2(g)＋H2(g)H2O(g)＋CO(g) ΔH1＝＋41.1 kJ·ml－1
CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2＝－90.0 kJ·ml－1
写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式： 。
(2)为提高CH3OH(g)的产率，理论上应采用的条件是 (填字母)。
a．高温高压 b．低温低压
c．高温低压 d．低温高压
(3)250 ℃时，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，如图为不同投料比[eq \f(nH2,nCO2)]时某反应物X的平衡转化率的变化曲线。
反应物X是 (填“CO2”或“H2”)。
(4)250 ℃时，在体积为2.0 L的恒容密闭容器中加入6 ml H2、2 ml CO2和催化剂，10 min时反应达到平衡，测得c(CH3OH)＝0.75 ml·L－1。
①前10 min内平均反应速率v(H2)＝ ml·L－1·min－1。
②化学平衡常数K＝ 。
③催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，得到的四组实验数据如表所示：
根据上表所给数据，用CO2生产甲醇的最优条件为 (填实验编号)。
[答案] (1)3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.9 kJ·ml－1 (2)d (3)CO2
(4)①0.225 ②eq \f(16,3) ③B
[解析] (1)根据盖斯定律，将题述两个热化学方程式相加可得：3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.9 kJ·ml－1。(2)根据热化学方程式可知，生成CH3OH(g)的反应是放热反应，也是气体体积减小的反应，故要想提高CH3OH(g)的产率，需要低温高压。(3)图中的横坐标为eq \f(nH2,nCO2)，假设n(CO2)为定值，则CO2的平衡转化率随n(H2)的增大而增大，故反应物X为CO2。
(4)①CH3OH(g)的浓度变化量为0.75 ml·L－1，则：
3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
起始/(ml·L－1) 3 1 0 0
转化/(ml·L－1) 2.25 0.75 0.75 0.75
平衡/(ml·L－1) 0.75 0.25 0.75 0.75
H2的浓度变化量为2.25 ml·L－1，则前10 min内平均反应速率v(H2)＝0.225 ml·L－1·min－1。②K＝eq \f(cCH3OH·cH2O,c3H2·cCO2)＝eq \f(0.75×0.75,0.753×0.25)＝eq \f(16,3)。③选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D中甲醇的选择性好，虽然B中CO2的转化率比D中的稍低些，但是B中CH3OH(g)的选择性比D中的好，故B为最优条件。
19．CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH (填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是 。
[答案] < 在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低
[解析] 从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。
20．丙烯腈(CH2==CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2==CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题：
以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：
①C3H6(g)＋NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·ml－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g) ΔH＝－353 kJ·ml－1
(1)两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是 ；
(2)有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是 ；
(3)提高丙烯腈反应选择性的关键因素是 。
[答案] (1)两个反应均为放热量大的反应 (2)降低温度、降低压强 (3)催化剂
[解析]因为生成产物丙烯腈和丙烯醛的两个反应均为放热量大的反应，所以它们均可自发进行且热力学趋势大；反应①为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高丙烯腈的平衡产率；由生成丙烯腈的反应条件可知，提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。
21．在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答下列问题：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是 。
(2)此可逆反应的正反应是 热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由： 。
[答案] (1)A点、B点 (2)放 (3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增大；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
[解析] (1)从图像中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。
(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。
22．如图表示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 ml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，铁触媒能加快反应速率的原理是 。
(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b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。发生反应为CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g) ΔH>0。一定温度下，在1 L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＝ ml·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为 。
②反应在3～4 min之间，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
[答案] (1)放热 92 (2)b 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 ml·L－1· min－1 ②B
[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 ml 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，从而加快了反应速率，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b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝eq \f(1,3)v(H2)＝eq \f(1,3)×eq \f(0.3 ml·L－1,2 min)＝0.05 ml·L－1· min－1。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 ml·L－1。
CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g)
起始浓度/,ml·L－1 0.2 0.3 0 0
转化浓度/,ml·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3
2和3 min浓度/ml·L－1 0.1 0.2 0.1 0.3
3～4 min转化浓度/ml·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03
4 min时浓度/ml·L－1 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 ml·L－1 ；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，而且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之比，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，生成物浓度均多于2 min时的浓度。
选项
A
B
C
D
研究
结果
压强对反应的影响
温度对反应的影响
平衡体系增加N2对反应的影响
催化剂对反应的影响
图示
温度
平衡时SO2的转化率(%)
1×105Pa
5×105Pa
1×106Pa
5×106Pa
1×107Pa
450 ℃
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550 ℃
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
温度/℃
平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa
0.5 MPa
1 MPa
5 MPa
10 MPa
450
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
T/K
303
313
323
353
NH3生成量/×10－6 ml
4.8
5.9
6.0
2.0
实验编号
温度/K
催化剂
CO2的转化率/%
甲醇的选择性/%
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
t/min
CH4/ml·L－1
H2O/ml·L－1
CO/ml·L－1
H2/ml·L－1
0
0.2
0.3
0
0
2
n1
n2
n3
0.3
3
n1
n2
n3
0.3
4
0.09
0.19
x
0.33
课后分层练
1．下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
[答案] D
[解析] A项，在合成氨工业中应选择一个合适的投料比[n(N2)∶n(H2)]，并不是充入的N2越多越有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下该反应能自发进行。
2．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，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
[答案] C
[解析] 对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂能提高反应速率，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。
3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是( )
A．使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
[答案] B
[解析] 使用催化剂，对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符合题意；合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应，故加压有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700 K左右是考虑催化剂的活性，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。
4．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是( )
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B廉价易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B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，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
[答案] D
[解析] 加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。
5．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤ D．②③⑤⑧
[答案] C
[解析] 根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。
6．下列事实能用勒夏特列原理解释的是( )
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深
C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
[答案] D
[解析] A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释；C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取500 ℃左右，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。
7．对于合成氨反应，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
[答案] B
[解析] A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。
8．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )
[答案] C
[解析] 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，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，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，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，错误。
9．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，其反应为Cu(NH3)2Ac(aq)＋CO(g)＋NH3(g)[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)(正反应为放热反应)。
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是 。
(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，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是 。
[答案] (1)低温、高压 (2)高温、低压
[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。
10.在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up12(V2O5),\s\d4(△))2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·ml－1
(1)根据反应特点，利用原理分析，增大反应速率的措施有 ，增大原料转化率的措施有 。
(2)利用下表实验数据回答问题：
①应选择的温度是 ，理由是 。
②应采用的压强是 ，理由是 。
[答案] （1）增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高温度，选用合适的催化剂 增大压强，降低温度(合理即可)
(2)①450 ℃ 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高
②1×105Pa 该压强下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。
11.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up12(催化剂),\s\d4(△))2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·ml－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是 。
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是 。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是 。
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是 。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是 。
[答案] (1)450 ℃、10 MPa
(2)在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2转化率会降低
(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本
(4)增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率
(5)防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)
1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列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
[答案] B
[解析]②④⑤操作均有利于化学平衡向合成氨的方向移动，提高转化率。
2．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400～500 ℃，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，无需考虑设备、动力
[答案] B
[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，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，总体来说合成氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃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10～30 MPa，D项错误。
3．下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
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
[答案] C
[解析] 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。
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。下列说法正确的是( )
A．c点处反应达到平衡
B．d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d点的值要大
D．a点的正反应速率比b点的小
[答案] C
[解析] c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c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d、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，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。
5.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－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 ml氮气、3 ml氢气置于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变为B时，平衡常数K(A)
D．升高温度，平衡常数K增大
[答案] C
[解析] 该反应为可逆反应，加入的1 ml N2和3 ml 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。
6．相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，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
[答案] D
[解析] 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是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)，
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项正确、D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。
7．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是( )
A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
[答案] B
8．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的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1×107～3×107 Pa的压强
[答案] B
[解析] 把氨分离出来是减小生成物浓度，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都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。
9．合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是( )
①降低温度 ②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓度
A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤
[答案] C
[解析] 增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。
10．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g) ΔH<0，下列说法正确的是( )
A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率
B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大
C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率
D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率
[答案] B
11.某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g) ΔH<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。下列说法正确的是( )
①两种催化剂均能降低反应的活化能，但ΔH均不变
②相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
③曲线 Ⅱ 中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右
④a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率
⑤若低于200 ℃，图中曲线 Ⅰ 脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂的活性不高
A．①②③ B．①③④
C．②③④ D．①③⑤
[答案] D
[解析] ①催化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的ΔH，正确；②该反应为气体分子数减小的反应，改变压强平衡发生移动，则改变压强对脱氮率有影响，错误；③由图可知，曲线 Ⅱ 中450 ℃左右脱氮率最大，则曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右，正确；④因为该反应是放热反应，降低温度，平衡正向移动，则a点对应温度下的平衡脱氮率应大于450 ℃下的脱氮率，错误；⑤催化剂的活性受温度的影响，则低于200 ℃时，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂的活性不高，正确。
12.CH4－CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝＋247 kJ·ml－1，同时存在以下反应：CH4(g)C(s)＋2H2(g) ΔH＝＋75 kJ·ml－1(积碳反应), CO2(g)＋C(s)2CO(g) ΔH＝＋172 kJ·ml－1(消碳反应)，假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳
B．增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C．升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大
D．温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
[答案] B
[解析] 反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)和CH4(g)C(s)＋2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应，增大压强，平衡均逆向移动，可减少积碳量，但CH4的平衡转化率降低，A项错误；假设CH4的物质的量不变，增大CO2的物质的量，CO2与CH4的物质的量之比增大，对于反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，平衡正向移动，CH4的浓度减小；对于积碳反应CH4(g)C(s)＋2H2(g)，由于甲烷浓度减小，平衡逆向移动，碳含量减少；对于消碳反应CO2(g)＋C(s)2CO(g)，平衡正向移动，碳含量也减少，综上分析，增大CO2与CH4的物质的量之比，有助于减少积碳，B项正确；平衡常数只与温度有关，积碳反应和消碳反应都是吸热反应，升高温度，平衡均正向移动，两个反应的平衡常数都增大，C项错误；根据图像，温度高于600 ℃，积碳量减少，但温度升高，体系中所有反应的反应速率都加快，D项错误。
13．某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g) ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是( )
A．t2时加入催化剂
B．t3时降低了温度
C．t5时增大了压强
D．t4～t5时间内转化率一定最低
[答案] A
[解析] 合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。
14.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
[答案] D
[解析] 分离出NH3，Q
15．一定温度下，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
[答案] A
[解析] 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．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：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，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如下：
N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g) ΔH＝＋765.2 kJ·ml－1
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慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议： 。
(2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 ml N2(g)和1.60 ml 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eq \f(4,7)。计算：
①该条件下N2的平衡转化率为 。
②该条件下反应2NH3(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为 。
③根据合成氨反应的特点分析，当前最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和N2合成氨的新途径
[答案] (1)升温、增大N2浓度(合理即可)
(2)①66.7% ②5.0×10－3 ③c
[解析] (2)①设反应过程消耗x ml N2(g)，
N2(g) ＋ 3H2(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))2NH3(g)
起始/ml 0.60 1.60 0
平衡/ml 0.60－x 1.60－3x 2x
平衡时反应体系总物质的量为[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x] ml＝(2.20－2x) ml，NH3(g)的物质的量分数为eq \f(2x,2.20－2x)＝eq \f(4,7)，解得x＝0.40，N2的平衡转化率为eq \f(0.40 ml,0.60 ml)×100%≈66.7%。
②设此时反应2NH3(g)eq \(,\s\up12(高温、高压),\s\d4(催化剂))N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K，平衡时，c(NH3)＝eq \f(2×0.40,2.0) ml·
L－1＝0.40 ml·L－1 ，c(N2)＝eq \f(0.60－0.40,2.0) ml·L－1＝0.10 ml·L－1，c(H2)＝eq \f(1.60－3×0.40,2.0) ml·
L－1＝0.20 ml·L－1，K＝eq \f(cN2·c3H2,c2NH3)＝5.0×10－3。
17.在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)如图所示，请回答下列问题：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是 。
(2)此可逆反应的正反应是 热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由： 。
[答案] (1)A、B (2)放 (3)AC曲线是平衡前的氨气质量分数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是平衡后的氨气质量分数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
[解析] (1)从图中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。
(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。
18．近年来我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展。回答下列问题：
(1)已知：CO2(g)＋H2(g)H2O(g)＋CO(g) ΔH1＝＋41.1 kJ·ml－1
CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2＝－90.0 kJ·ml－1
写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式： 。
(2)为提高CH3OH(g)的产率，理论上应采用的条件是 (填字母)。
a．高温高压 b．低温低压
c．高温低压 d．低温高压
(3)250 ℃时，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，如图为不同投料比[eq \f(nH2,nCO2)]时某反应物X的平衡转化率的变化曲线。
反应物X是 (填“CO2”或“H2”)。
(4)250 ℃时，在体积为2.0 L的恒容密闭容器中加入6 ml H2、2 ml CO2和催化剂，10 min时反应达到平衡，测得c(CH3OH)＝0.75 ml·L－1。
①前10 min内平均反应速率v(H2)＝ ml·L－1·min－1。
②化学平衡常数K＝ 。
③催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，得到的四组实验数据如表所示：
根据上表所给数据，用CO2生产甲醇的最优条件为 (填实验编号)。
[答案] (1)3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.9 kJ·ml－1 (2)d (3)CO2
(4)①0.225 ②eq \f(16,3) ③B
[解析] (1)根据盖斯定律，将题述两个热化学方程式相加可得：3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.9 kJ·ml－1。(2)根据热化学方程式可知，生成CH3OH(g)的反应是放热反应，也是气体体积减小的反应，故要想提高CH3OH(g)的产率，需要低温高压。(3)图中的横坐标为eq \f(nH2,nCO2)，假设n(CO2)为定值，则CO2的平衡转化率随n(H2)的增大而增大，故反应物X为CO2。
(4)①CH3OH(g)的浓度变化量为0.75 ml·L－1，则：
3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
起始/(ml·L－1) 3 1 0 0
转化/(ml·L－1) 2.25 0.75 0.75 0.75
平衡/(ml·L－1) 0.75 0.25 0.75 0.75
H2的浓度变化量为2.25 ml·L－1，则前10 min内平均反应速率v(H2)＝0.225 ml·L－1·min－1。②K＝eq \f(cCH3OH·cH2O,c3H2·cCO2)＝eq \f(0.75×0.75,0.753×0.25)＝eq \f(16,3)。③选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D中甲醇的选择性好，虽然B中CO2的转化率比D中的稍低些，但是B中CH3OH(g)的选择性比D中的好，故B为最优条件。
19．CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH (填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是 。
[答案] < 在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低
[解析] 从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。
20．丙烯腈(CH2==CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2==CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题：
以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：
①C3H6(g)＋NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·ml－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g) ΔH＝－353 kJ·ml－1
(1)两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是 ；
(2)有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是 ；
(3)提高丙烯腈反应选择性的关键因素是 。
[答案] (1)两个反应均为放热量大的反应 (2)降低温度、降低压强 (3)催化剂
[解析]因为生成产物丙烯腈和丙烯醛的两个反应均为放热量大的反应，所以它们均可自发进行且热力学趋势大；反应①为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高丙烯腈的平衡产率；由生成丙烯腈的反应条件可知，提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。
21．在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答下列问题：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是 。
(2)此可逆反应的正反应是 热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由： 。
[答案] (1)A点、B点 (2)放 (3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增大；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
[解析] (1)从图像中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。
(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。
22．如图表示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 ml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，铁触媒能加快反应速率的原理是 。
(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b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。发生反应为CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g) ΔH>0。一定温度下，在1 L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＝ ml·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为 。
②反应在3～4 min之间，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
[答案] (1)放热 92 (2)b 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 ml·L－1· min－1 ②B
[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 ml 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，从而加快了反应速率，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b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝eq \f(1,3)v(H2)＝eq \f(1,3)×eq \f(0.3 ml·L－1,2 min)＝0.05 ml·L－1· min－1。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 ml·L－1。
CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g)
起始浓度/,ml·L－1 0.2 0.3 0 0
转化浓度/,ml·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3
2和3 min浓度/ml·L－1 0.1 0.2 0.1 0.3
3～4 min转化浓度/ml·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03
4 min时浓度/ml·L－1 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 ml·L－1 ；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，而且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之比，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，生成物浓度均多于2 min时的浓度。
选项
A
B
C
D
研究
结果
压强对反应的影响
温度对反应的影响
平衡体系增加N2对反应的影响
催化剂对反应的影响
图示
温度
平衡时SO2的转化率(%)
1×105Pa
5×105Pa
1×106Pa
5×106Pa
1×107Pa
450 ℃
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550 ℃
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
温度/℃
平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa
0.5 MPa
1 MPa
5 MPa
10 MPa
450
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
T/K
303
313
323
353
NH3生成量/×10－6 ml
4.8
5.9
6.0
2.0
实验编号
温度/K
催化剂
CO2的转化率/%
甲醇的选择性/%
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
t/min
CH4/ml·L－1
H2O/ml·L－1
CO/ml·L－1
H2/ml·L－1
0
0.2
0.3
0
0
2
n1
n2
n3
0.3
3
n1
n2
n3
0.3
4
0.09
0.19
x
0.33
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