1、- 1 -第 4节 化学反应条件的优化工业合成氨1对于合成氨反应，N 2(g)3H 2(g) 2NH3(g) H0，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解析：A.升高温度正逆反应速率都增大，平衡向逆反应方向移动，说明温度对逆反应速率影响较大；B.增大压强，平衡正向移动，则压强对正反应速率影响较大；C.减小反应物浓度，逆反应速率不变；D.加入催化剂，对正逆反应速率影响相同。答案：B2对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确
2、的是( )A都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响B都对化学平衡状态有影响，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，只有压强对化学平衡状态有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用解析：对化学反应 N2(g)3H 2(g) 2NH3(g)，催化剂和高压均能缩短达到平衡的时间，但只有高压可使平衡向生成 NH3的方向移动，催化剂不影响平衡。答案：C3接触法制硫酸工艺中，其主要反应 2SO2(g)O 2(g) 2SO3(g) H0，在 450 并有催化剂存在条件下建立平衡，为使该反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是( )A及时分离出 SO3气体
3、B选择高效的催化剂C适当升高温度D增大 O2的浓度解析：增大 O2浓度可加速反应的进行，并使平衡向正反应方向移动。答案：D4下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中 NH3含量的变化情况。达到平衡时混合物中 NH3的含量为(体积分数)入料 V(N2) V(H2)13：- 2 -0.1 10 20 30 60 100200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5600 0.05
4、4.5 9.1 13.8 23.1 31.4(1)比较 200 和 300 时的数据，可判断升高温度，平衡向_方向移动，正反应方向为_(填“吸热”或“放热”)反应。(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是_。A高温高压 B高温低压C低温高压 D低温低压(3)计算 500 ，30 MPa 时 N2的转化率_。(4)实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取了一些措施。请写出其中的一个措施：_。解析：(3) N 2 3H 2 2NH3起始 1 3 0转化 n 3n 2n平衡 1 n 33 n 2n100%26.4%2n（ 1 n） （ 3 3n） 2nn0.417 7故 N2的转化率
5、为 100%41.77%。0.417 71答案：(1)左(或逆反应) 放热 (2)C (3)41.77% (4)加入过量的 N2(或及时从平衡混合物中移走 NH3)时间：40 分钟A级 基础巩固- 3 -基础题1在密闭容器中，合成氨的反应 N23H 2 2NH3，现将 2 mol N2和 2 mol H2通入该容器中反应，20 s 后生成 0.8 mol的 NH3，则 H2的转化率是多少( )A70% B60% C50% D40%解析：本题可以依据“三段式”法列式计算。设经过 20 s N2转化了 x mol，则有：N 2 3H 2 2NH 3起始： 2 mol 2 mol 0转化： x mo
6、l 3x mol 2x mol20 s 后： (2 x) mol (23 x) mol 2x mol根据题意 20 s后生成 0.8 mol的 NH3，则有 2x0.8 mol， x0.4 mol，所以 H2的转化率是： 100%60%。30.4 mol2 mol答案：B2对于可逆反应 N2(g)3H 2(g) 2NH3(g) H0，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，NH 3的浓度比原平衡的大，N 2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，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转
7、化率D加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大了，而逆反应速率减小了答案：C3.反应 N2 (g)3H 2(g) 2NH3(g) H0在某一时间段中反应速率与反应过程的曲线关系如图所示，则氨的百分含量最高的一段时间段是( t1 t6，只改变了温度或压强)( )A t0 t1 B t2 t3C t3 t4 D t5 t6解析：此题考查了对速率时间图象的分析。化学平衡时 v(正) v(逆)，氨的百分含量不变。 t1 t2、 t4 t5， v(逆 )大于 v(正)，平衡向左移动，致使氨的百分含量减少。所以氨的百分含量最高时是 t0 t1。答案：A- 4 -4工业合成氨的反应是放热反应，
8、下列关于 N2(g)3H 2(g)2NH 3(g)反应的图象中，错误的是( )解析：合成氨的正反应是放热反应，升温，正、逆反应速率都增大，但逆反应增大的程度大，A 正确；在 T1时 NH3%最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，NH 3%减小，B 正确，C错误；增大压强，平衡向右移动，NH 3%增大，D 正确。答案：C5合成氨的温度和压强通常控制在约 500 以及 2107510 7 Pa的范围，且进入合成塔的 N2和 H2的体积比为 13，经科学实验测定，在相应条件下，N 2和 H2反应所得 NH3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
9、( )2107 Pa 5107 Pa500 19 .1 42.2A.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基础题6有平衡体系：CO(g)2H 2(g) CH3OH(g) H0，为了增加甲醇(CH 3OH)的产量，应采用的正确措施是( )A高温、高压B适宜温度、高压、催化剂C低温、低压D高温、高压、催化剂- 5 -解析：A.此反应为放热的反应，高温条件下使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故 A错误；B.适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，此反应为体积减小的反应，故高压下使反应正向移动，故 B正确；C.低压下，平衡逆向移动，不利于甲醇
10、的产出，故 C错误；D.温度过高，使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故 D错误。答案：B7工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N 2 (g)3H 2 (g) 2NH3 (g) H92.44 kJmol 1 ，其部分工艺流程如下图所示：反应体系中各组分的部分性质见下表：气体 氮气 氢气 氨熔点/ 210.01 252.77 77.74沸点/ 195.79 259.23 33.42回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式： K_。随着温度升高， K值_(填“增大” “减小”或“不变”)。(2)平衡常数 K值越大，表明_(填字母)。AN 2的转化率越高BNH 3的产率越大C原料中 N2的
11、含量越高D化学反应速率越快(3)合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程。即反应后通过把混合气体的温度降低到_使_分离出来；继续循环的气体是_。解析：(1)由方程式 N2(g)3H 2 (g) 2NH3 (g)不难写出： K ，根据NH32N2H23此反应 H0，说明正反应为放热反应，升高温度平衡向吸热方向移动，即向左移动，NH 3减小，N 2和H 2增大，故 K减小。(2)平衡常数 K值越大，说明NH 3越大，N 2和H 2就越小，说明反应进行的程度大，故 N2的转化率就越高，NH 3的产率就越大(注：产率是指实际产生的NH3与理论产生的 NH3的物质的量之比)。(3)根据气
12、体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余 N2和 H2循环使用，以提高产率。答案：(1) 减小 (2)ABNH32N2H23- 6 -(3)33.42 氨 N 2和 H2B级 能力提升8合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料氨。合成氨反应是一个可逆反应：N 2(g)3H 2(g) 2NH3(g)。在 298 K时： H92.2 kJmol 1 ， K4.110 6(molL1 )2 。(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大，为什么还需要使用催化剂？_。(2)试分析实际工业生产中采取 700 K左右的温度的原因：_
13、。(3)298 K，1.0110 5 Pa，在 10 L密闭容器中充入 10 mol氮气、30 mol氢气和 20 mol氨气，开始的瞬间，反应向_(选填“正”或“逆”)方向进行，反应进行 5 min后体系能量的变化为_(选填“吸收”或“放出”)184.4 kJ，容器内压强变为原来的_倍。(4)从开始至 5 min时，用 N2浓度变化表示该反应的平均速率为_。解析：(3)依据 Q(20 mol/10 L)2/(10 mol/10 L)(30 mol/10 L)3 4/27(molL 1 )2 K4.110 6(molL1 )2 ，反应正向进行，放出热量，且放出热量的数值为 92.2 kJmol
14、1 的两倍，故 5 min时生成的氨气为 4 mol，用三步式表示为N 2(g)3H 2(g) 2NH3(g)起始量/mol 10 30 20转化量/mol 2 6 45 min时/mol 8 24 24故 5 min时气体总物质的量为 56mol，容器内压强变为原来的 56/6014/15。(4) v(N2)(2 mol/10 L)/5 min0.04 molL 1 min1 。答案：(1)使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率，提高单位时间内的产量 (2)在该温度下，催化剂的活性最高，速率较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产量还是最理想的 (3)正 放出
15、14/15(4)0.04 molL1 min19工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将 SO2转化为 SO3是一个关键步骤。压强及温度对 SO2转化率的影响如下表所示(原料气各成分的体积分数为 SO2 7%，O 2 11%，N 2 82%)：- 7 -0.1 0.5 1 10400 99.2 99.6 99.7 99.9500 93.5 96.9 97.8 99.3600 73.7 85.8 89.5 96.4(1)已知 SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_。(2)在 400500 时，SO 2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是_。(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高 SO2的转化率？_(选填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？_(选填“是”或“否”)。(4)为提高 SO3吸收率，实际生产中用_吸收 SO3。(5)已知：2SO 2(g) O 2 (g) 2SO3 (g) H196.6 kJmol1 ，计算每生产 1万吨 98%硫酸所需要的 SO3质量和由 SO2生产这些 SO3所放出的热量。答案：(1)压强一定时，温度升高，SO 2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应(2)增大压强对提高 SO2转化率无显著影响，反而会增加生产成本(3)否 否(4)浓硫酸(5)8.0103 t 9.810 9 kJ
