高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨检测 鲁科版选修4.doc

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，n2(g)3h2(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)3h2(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)o2(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)13：0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4(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)n23h22nh3起始 1 3 0转化 n 3n 2n平衡 1n 33n 2n100%26.4%n0.417 7故n2的转化率为100%41.77%。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级基础巩固基础题1在密闭容器中，合成氨的反应n23h22nh3，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：n2 3h22nh3起始：2 mol2 mol0转化： x mol 3x mol 2x mol20 s后： (2x) mol (23x) 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%。答案：b2对于可逆反应n2(g)3h2(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，nh3的浓度比原平衡的大，n2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)3h2(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(t1t6，只改变了温度或压强)()at0t1bt2t3ct3t4 dt5t6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。t1t2、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t0t1。答案：a4工业合成氨的反应是放热反应，下列关于n2(g)3h2(g)2nh3(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，nh3%减小，b正确，c错误；增大压强，平衡向右移动，nh3%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21075107 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，n2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()2107 pa5107 pa500 19 .142.2a.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)2h2(g) ch3oh(g)h0，为了增加甲醇(ch3oh)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：n2 (g)3h2 (g)2nh3 (g)h92.44 kjmol1，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/210.01252.7777.74沸点/195.79259.2333.42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)。an2的转化率越高bnh3的产率越大c原料中n2的含量越高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)3h2 (g) 2nh3 (g)不难写出：k ，根据此反应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，nh3减小，n2和h2增大，故k减小。(2)平衡常数k值越大，说明nh3越大，n2和h2就越小，说明反应进行的程度大，故n2的转化率就越高，nh3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)ab(3)33.42 氨n2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：n2(g)3h2(g)2nh3(g)。在298 k时：h92.2 kjmol1，k4.1106(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：_。(3)298 k，1.01105 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(moll1)2k4.1106(moll1)2，反应正向进行，放出热量，且放出热量的数值为92.2 kjmol1的两倍，故5 min时生成的氨气为4 mol，用三步式表示为n2(g)3h2(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 moll1min1。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14/15(4)0.04 moll1min19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%，o2 11%，n2 82%)：0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(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，so2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