2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1同步练习-第4节　化学反应条件的优化-工业合成氨（含解析）

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第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

基础过关练

题组一合成氨反应的限度、速率

1.(2023辽宁联合校月考)工业合成氨反应中,使用催化剂和施以高压,下列叙述正确的是()

A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响

B.都对平衡状态有影响,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,只有加压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,而加压无此作用

2.(2023安徽六安一中开学)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH”“=”或“T0,投料比一定时,升高温度,平衡向左移动

D.T>T0,投料比一定时,升高温度,反应速率减小

3.(2023广东深圳实验学校阶段考)氮的氧化物是造成大气污染的主要物质,研究氮氧化物间的相互转化及脱除有重要意义。

Ⅰ.氮氧化物间的相互转化

(1)已知2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:

第一步:2NO(g)N2O2(g)(快速平衡)

第二步:N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢反应)

①用O2表示的速率方程为v(O2)=k1c2(NO)·c(O2);NO2表示的速率方程为v(NO2)=k2c2(NO)·c(O2),k1与k2均表示速率常数,则=。

②下列关于反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的说法正确的是

(填字母)。

A.使压强增大,反应速率常数一定增大

B.第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能

C.反应的总活化能等于第一步和第二步反应的活化能之和

(2)2NO2(g)N2O4(g)ΔH1050℃

温度超过1000℃,NO浓度升高的原因是

。

图2

答案全解全析

基础过关练

1.C2.B3.B5.A6.C7.A8.C

1.C合成氨的正反应为反应前后气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,也能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间;加入催化剂,能加快反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间,对化学平衡状态没有影响,故选C。

2.B①合成氨反应的正反应为放热反应,降低温度,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;②维持温度、容积不变,按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2,压强增大,平衡正向移动,氮气的平衡转化率增大;③增加NH3的物质的量,平衡逆向移动,N2的平衡转化率降低;④维持恒压条件,通入一定量惰性气体,相当于减小压强,平衡逆向移动,氮气的平衡转化率降低;故选B。

3.B合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,说明温度对逆反应的反应速率影响较大,故A错误;合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,所以压强对正反应的反应速率影响较大,故B正确;减小反应物浓度,平衡逆向移动,正反应速率瞬间减小,对正反应的反应速率影响较大,故C错误;加入催化剂,对正、逆反应的反应速率影响相同,故D错误。

4.答案(1)C2.0mol/L

(2)1∶3∶2

(3)逆反应增大增大

解析(1)根据图像可知,反应进行到20min时曲线A代表的物质浓度减少了6.0mol/L-3.0mol/L=3.0mol/L,曲线C代表的物质浓度减少了2.0mol/L-1.0mol/L=1.0mol/L,根据化学方程式可知表示N2浓度变化的曲线是C,表示H2浓度变化的曲线是A,表示氨气浓度变化的曲线是B,25min时c(NH3)=2.0mol/L。

(2)各物质表示的反应速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,所以v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2;由图可知,该反应在20min时达到平衡,K===(mol/L)-2。

(3)升高温度,正、逆反应速率都增大,由于合成氨反应的正反应为放热反应,所以平衡逆向移动。

5.A合成氨反应选择在400~500℃进行的重要原因是催化剂在该温度范围内的活性较大,故A正确;在工业生产条件优化时,不能只考虑经济而不考虑环保,故B错误;工业合成氨反应的ΔH0时,反应不能自发进行,所以该反应不能在很高的温度下进行,故C错误;应适当提高充入氮气的比例,不是充入的N2越多越好,故D错误。

6.C工业合成氨一般使用铁做催化剂,为防止催化剂中毒,须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,既可以增大氮气、氢气浓度,加快合成氨反应速率,又可以使平衡向生成NH3的方向移动,提高原料转化率,B项正确;合成氨反应为放热反应,步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率,同时使用催化剂也不能使平衡移动,步骤④、⑤有利于提高原料的转化率,C项错误;产品液氨可用于生产铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量的热,还可用作制冷剂,D项正确。

7.AΔH-TΔST1,升高温度,平衡逆向移动,NH3的体积分数减小,a正确;平衡时各物质浓度不一定相等,b错误;使用催化剂可加快反应速率,但对平衡无影响,平衡时N2的转化率不变,c正确。

(4)容器A与容器B的初始投入量相同,容器B为恒压密闭容器,该反应为反应前后气体体积减小的反应,故随着反应的进行,容器B的体积逐渐减小,平衡时相当于对容器A加压,平衡正向移动,氨气的体积分数变大,所以a<b;合成氨反应为可逆反应,则A中1molN2和3molH2不能完全转化为2molNH3,Q1<92.4。

2.答案(1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92kJ·mol-1

(2)节能、降低生产成本(答案合理即可)

(3)①3∶1×100%②AD

解析(1)17gNH3的物质的量是=1mol,生成1molNH3时放出46kJ热量,则生成2mol氨气放出的热量是92kJ,所以该反应的热化学方程式是N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92kJ·mol-1。

(3)①在相同的温度下,投料比越大,氮气的转化率越高,则曲线Ⅰ表示投料比=3∶1,设H2、N2的初始物质的量分别为3mol、1mol,列出三段式:

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

起始物质的量(mol)130

转化物质的量(mol)x3x2x

平衡物质的量(mol)1-x3-3x2x

所以混合气体中NH3的体积分数为×100%=×100%。②投料比越大,H2的平衡转化率越小,故A错误;投料比一定时,平衡之前,升高温度,化学反应速率增大,故B正确;投料比一定时,由于该反应是放热反应,所以平衡之后,升高温度,平衡逆向移动,故C正确;投料比一定时,升高温度,化学反应速率增大,故D错误。

3.答案(1)①②B

(2)①a②35%

(3)①-1626.9kJ·mol-1②b温度过高,NH3容易与氧气发生反应产生NO,使NO浓度升高(或反应温度过高副反应发生程度变大,产生更多的NO,其他答案合理即可)

解析(1)①由于v(O2)=k1c2(NO)·c(O2),v(NO2)=k2c2(NO)·c(O2),k1与k2均表示速率常数,则=,根据反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)可知,=,所以=。②反应速率常数与压强无关,增大压强,反应速率常数不变,A错误;第一步反应是快反应,第二步反应为慢反应,所以第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能,B正确;反应的总活化能由慢反应的活化能决定,则该反应的总活化能由第二步反应的活化能决定,C错误。

(2)①根据反应2NO2(g)N2O4(g)ΔH<0可知,该反应的正反应为放热反应,升高温度,减小,平衡逆向移动;Kp减小,增大,平衡正向移动,Kp增大,所以表示lgKp与关系的曲线是a。②假设起始NO2的物质的量为1mol,转化率为x,列出三段式:

2NO2(g)N2O4(g)

n(起始)/mol10

n(转化)/molx0.5x

n(平衡)/mol1-x0.5x

同温同体积下,气体的压强之比等于物质的量之比,则p(NO2)∶p(N2O4)=(1-x)∶0.5x=100∶p(N2O4),则p(N2O4)=kPa,因此,Kp=kPa-1=2.7×10-3kPa-1,解得x≈0.35,所以NO2的平衡转化率为35%。

(3)①已知:ⅰ.4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)ΔH1

ⅱ.4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)ΔH2=-1267.1kJ·mol-1

ⅲ.4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(