4、化学反应条件的优化——工业合成氨.doc

第2章 第4节 (45分钟100分)(本栏目内容，在学生用书中以活页形式分册装订！)一、选择题(本题包括10小题，每小题5分，共50分)1合成氨反应的特点是()可逆不可逆正反应放热正反应吸热正反应气体总体积增大正反应气体总体积缩小A BC D答案：C2合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是()A加快反应速率 B提高NH3的平衡浓度C降低NH3的沸点 D提高N2和H2的利用率解析：合成氨是可逆反应，在中压工艺条件下合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%14%，循环使用可提高N2和H2的利用率。答案：D3(2010上海高考)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 BC D解析：合成氨反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动，、正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，正确。答案：B4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，其中氨气只占13%14%，所以生产氨的工厂效率都很低B由于氨易液化，N2(g)、H2(g)是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高C合成氨反应温度控制在500 左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D合成氨采用的压强是21075107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大解析：虽然从合成塔出来的混合气体中氨气只占13%14%，但由于氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高；合成氨是放热反应，选择高温不利于氨气的合成，选择500 左右的温度在于提高化学反应速率和增大催化剂的活性；催化剂的活性取决于温度的大小，而不是取决于压强的高低。答案：B5(2011汕头高二质检)合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A提高分离技术B研制耐高压的合成塔C研制低温催化剂D探索不用N2和H2合成氨的新途径解析：由图可知：(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高(NH3)必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度在700 K左右。故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。答案：C6高温下，某反应达平衡，平衡常数K。恒容时，温度升高，H2浓度减小。下列说法正确的是()A该反应的焓变为正值B恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小C升高温度，逆反应速率减小D该反应化学方程式为COH2OCO2H2解析：由平衡常数表达式写出可逆反应为CO2(g)H2(g)CO(g)H2O(g)，D项错误；由于升高温度，H2浓度减小，说明升温平衡向正反应方向进行，因此正反应是吸热的，焓变为正值，A项正确；由于反应前后气体体积相等，增大压强平衡不移动，但若通入H2其浓度会增大，B项错误；升高温度，正逆反应速率都会增大，C项错误。答案：A7工业合成氨的正反应是放热反应，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：C8(2011宁波高二质检)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：要增加甲醇的产量，需要从两方面考虑：一提高反应速率，可采取较高的温度，较大的压强，使用催化剂；二增大反应限度，低温、高压，有利于该可逆反应的平衡右移，所以可采取适宜温度、高压、催化剂。答案：B9(2011福州高二质检)合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1，在反应过程中，正反应速率的变化如图：下列说法正确的是()At1时升高了温度 Bt2时使用了催化剂Ct3时增大了压强 Dt4时降低了温度解析：若t1时升高了温度，则随后v正应增大至平衡，A错；若t3增大了压强，v正应增大，而不会减小，故C错；若t4时降低了温度，则v正应突然减小，曲线不应相连，D错。答案：B10在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为()A15 mol和25% B20 mol和50%C20 mol和75% D40 mol和80%解析：以N2、H2为起始时，N2为10 mol，H2为30 mol，要以NH3开始反应，并且平衡时百分含量与前者相同，取NH3的量必须是20 mol，故A和D是错误的。设以NH3开始反应时，氨转化的物质的量为x，那么有20 molx210 mol25%，x15 mol氨的转化率：100%75%。答案：C二、非选择题(本题包括4小题，共50分)11(12分)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)K值越大，表明_(填字母)。A其他条件相同时N2的转化率越高B其他条件相同时NH3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)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)由化学方程式N2(g)3H2(g)2NH3(g)不难写出：K，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)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，故其他条件相同时N2的转化率就越高，NH3的产率就越大。(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H212(12分)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。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)入料V(N2)V(H2)130.110203060100200 15.381.586.489.995.498.8300 2.252.064.271.084.292.6400 0.425.138.247.065.279. 8500 0.110.619.126.442.257.5600 0.054.59.113.823.131.4(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：(1)由表中数据可以看出，在1个标准大气压下，200 NH3的百分含量比300 中NH3的百分含量高，故知升高温度平衡向左(或逆向)移动，进而据平衡移动原理判断出正反应方向为放热反应。(2)由表中数据知，在相同压强下，温度越高，NH3的百分含量越低；相同温度时，压强越大，NH3的百分含量越高，故合成氨适宜条件是低温高压。(3) N2 3H2 2NH3起始13 0转化n3n 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)13(12分)(2011南通高二质检)对于2XY(g)的体系，在压强一定时，平衡体系中Y的质量分数w(Y)随温度的变化情况如右图所示(实线上的任何一点为对应温度下的平衡状态。)(1)该反应的正反应方向是一个_反应(填“吸热”或“放热”)。(2)A、B、C、D、E各状态中，v(正)v(逆)的是_。(3)维持t1不变，EA所需时间为x，维持t2不变，DC所需时间为y，则x_y(填“”或“”)。(4)欲要求使E状态从水平方向到C状态后，再沿平衡曲线到达A状态，从理论上来讲，可选用的条件是_。解析：由图可知，随着温度的升高，w(Y)逐渐减少，说明平衡逆向移动，则正反应方向是放热反应。A、B、C、D、E中A、B、C在平衡曲线上，则A、B、C都处于各自的平衡状态中，D、E两点不在平衡曲线上，即它们没有达到化学平衡，因为E状态的w(Y)比该温度下平衡时的小，所以平衡正向移动，v(正)v(逆)，D状态的w(Y)比该温度下的平衡状态时的大，平衡逆向移动，此时v(逆)v(正)。D、E要达到各自温度下的平衡状态所转化的Y的物质的量，因为D处的温度比E处的温度高，D处反应速率快，所以D处达到平衡所需时间短。EC，要满足w(Y)不变，温度升高，只有采取突然升温，CA的变化符合平衡曲线，意味着要经过无数个温度下的平衡状态的点后，C才能到达A，所以只有采取无限缓慢地降温。答案：(1)放热(2)D(3)(4)先突然升温到t2，然后无限缓慢地降低温度到t114(16分)(2011深圳高二质检)科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。(1)目前合成氨技术原理为：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1673 K,30 MPa下，上述合成氨反应中n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是_。A点a的正反应速率比点b的大B点c处反应达到平衡C点d和点e处的n(N2)相同D773 K,30 MPa下，t2时刻也是该反应的平衡点，则n(NH3)比图中e点的值大在容积为2.0 L恒容的密闭容器中充入0.80 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在673 K、30 MPa下进行，达到平衡时，NH3的体积分数为20%。该条件下反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)的平衡常数K_。(2)根据最新“人工固氮”的研究报道，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生下列反应：N2(g)3H2O(l)2NH3(g)O2(g)Ha kJmol1进一步研究NH3生成量与温度的关系，常压下达到平衡时测得部分实验数据如下表：T/K303313323NH3生成量/(106 mol)4.85.96.0此合成反应