高二化学反应原理课时作业15：2.4化学反应条件的优化-工业合成氨

高二《化学反应原理》PAGEPAGE1第4节化学反应条件的优化——工业合成氨分层训练[基础过关]一、氨的合成1.合成氨工业上采用循环操作主要是因为()A.加快化学反应速率B.能提高氨的平衡浓度C.降低氨气的沸点D.提高氮气和氢气的利用率[答案]D2.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)，673K，30MPa下，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的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大[解析]a点的反应物浓度大于b点，所以反应速率a更快；c点的时候各种物质的浓度仍在变化，并没有达到平衡；而d、e两点时达到平衡，浓度不再变化；升高温度，平衡逆向移动，氢气的浓度变大。[答案]D3.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%，若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是()A.eq\f(1,5) B.eq\f(1,4)C.eq\f(1,6) D.eq\f(1,2)[解析]设起始时H2为amol、N2为bmol，平衡时NH3为xmol，则3H2＋N22NH3起始(mol):ab0平衡(mol):a－eq\f(3x,2)b－eq\f(x,2)x依题意可得：eq\f(x,a－\f(3x,2)＋b－\f(x,2)＋x)×100%＝25%化简得：eq\f(x,a＋b－x)＝eq\f(1,4)，eq\f(x,a＋b)＝eq\f(1,5)。[答案]A二、化学平衡移动4.已知可逆反应：aA(g)＋bB(？)cC(g)ΔH＞0(B物质的状态未确定)。关于该反应的描述正确的是()A.加压若平衡正向移动，则a＞cB.加入一定量的B，平衡一定正向移动C.缩小容器的体积，各物质的浓度一定增大D.升高温度，平衡一定正向移动，混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定[解析]A.增加压强，对于反应前后气体的系数和变化的反应来说，会引起平衡的移动，但是B的状态不确定，所以移动方向无法判断，故A错误；B.加入一定量的B，若B是固体或液体，平衡不移动，故B错误；C.缩小容器的体积，对于固体物质来说，浓度不变，即缩小容器的体积，各物质的浓度不一定增加，故错误；D.升高温度，平衡一定向吸热方向移动，即正向移动，混合气体的平均摩尔质量等于质量和物质的量的比值，但是B的状态以及a、b、c不确定，所以混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定，故D正确。[答案]D5.一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应：S2Cl2(l),浅黄色＋Cl2(g)2SCl2(l),鲜红色ΔH<0下列说法正确的是()A.达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深B.单位时间内生成nmolS2Cl2，同时生成2nmolSCl2时，反应达到平衡状态C.达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅D.单位时间内有nmolCl2被还原，同时氧化生成nmolCl2时，平衡向正反应方向移动[解析]抽出Cl2，因容积可变，Cl2浓度不变平衡不移动，混合液颜色不变，A项错误；B项正确；降温，平衡正向移动，混合液颜色变深，C项错误；nmolCl2被还原，同时氧化生成nmolCl2即v正＝v逆，平衡不移动，D项错误。[答案]B6.已知甲为恒温、恒压容器，乙为恒温、恒容容器。两容器中均充入1molN2、3molH2，初始时两容器的温度、体积相同。一段时间后反应达到平衡，为使两容器中的N2在平衡混合物中的物质的量分数相同，下列措施中可行的是()A.向甲容器中充入一定量的氦气B.向乙容器中充入一定量的N2C.升高乙容器的温度D.增大甲容器的压强[解析]N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，恒温、恒压条件下，反应一旦引发，容器体积减小，有利于反应正向进行。A项可以使甲、乙容器体积相同，从而使N2的物质的量分数与乙中相同；B项可以使乙中N2体积分数进一步升高，从而不能与甲相同。[答案]A7.在容积不变的密闭容器中发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH<0，某研究小组研究了其他条件不变时，改变某一条件对上述反应的影响如图所示，下列分析正确的是()A.图Ⅰ表示的是t1时刻增大O2的浓度对化学反应速率的影响B.图Ⅱ表示的是t1时刻加入催化剂对化学反应速率的影响C.图Ⅲ表示的是催化剂对化学平衡的影响，且甲的催化剂效率比乙的高D.图Ⅲ表示的是压强对化学平衡的影响，且乙的压强较高[解析]若增大O2的浓度，正反应速率突然变大，逆反应速率瞬间不变，随后逐渐变大，故A项错误；加入催化剂，正、逆反应速率同等程度增大，v′(正)＝v′(逆)，化学平衡不移动，SO2的转化率不变，故B项正确、C项错误；乙达到化学平衡时所用时间短，则其反应速率较快，乙的压强比甲的高，但增大压强平衡右移，SO2的转化率增大，故D项错误。[答案]B三、合成氨综合应用8.在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3∶1∶1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4，则此时氮气的转化率为()A.10% B.20%C.15% D.30%[解析]由题意设H2、N2、NH3的物质的量分别为3mol、1mol、1mol。平衡时N2转化了amolN2(g)＋3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol131转化物质的量/mola3a2a平衡物质的量/mol1－a3－3a1＋2a则(1－a)/(1＋2a)＝3/4，解之得a＝0.1molN2的转化率为α(N2)＝0.1mol÷1mol×100%＝10%。[答案]A9.在一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比1∶3的N2和H2。开始时体积相同，达到平衡时两容器中N2的转化率比较()A.a大 B.b大C.a、b一样大 D.无法判断[解析]先假设a容器开始时也保持容积不变达到平衡时，容器a中N2的转化率α(a)与容器b中N2的转化率α(b)相等，即α(a)＝α(b)。但达到平衡时，a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强，必须缩小容器a的容积，则平衡正移。因此再达平衡时N2的转化率α1(a)变大了。即α1(a)>α(a)，则α1(a)>α(b)。[答案]A10.下面是合成氨的简易流程示意图：沿x路线回去的物质是()A.N2和H2 B.催化剂C.N2 D.H2[答案]A[能力提升]11.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)[投料V(N2)∶V(H2)＝1∶3](1)比较200℃和300℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)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℃，30MPa时N2的转化率________。(4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500℃对反应速率的影响，还采取了一些措施请分别写出其中的一个措施：__________________________。[解析](1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。(3)假设N2的用量为1mol，H2的用量为3mol，N2的消耗量为xmol，则：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)初始量(mol)130转化量(mol)x3x2x平衡量(mol)1－x3－3x2x得：eq\f(2x,2x＋（1－x）＋（3－3x）)×100%＝26.4%x＝0.4177α(N2)＝eq\f(0.4177mol,1mol)×100%＝41.77%。(4)增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，500℃时加入合适的催化剂(铁)，既提高化学反应速率，又使铁的催化剂性能最好。[答案](1)逆反应放热(2)C(3)41.77%(4)加过量N2或及时从平衡体系中移走NH3，选择合适的催化剂(如铁)12.在密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，在一定条件下达到平衡，容器中还剩余cmolN2。(1)生成NH3的物质的量为___________________________________。(2)H2的平衡转化率为________________________________________。(3)若把容器的体积缩小一半，则正反应速率__________(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率________，N2的转化率________。[答案](1)2(a－c)mol(2)eq\f(3（a－c）,b)(3)增大增大增大13.在密闭容器内，使1molN2和3molH2混合发生下列反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－92.2kJ·mol－1(1)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度之比为______________________________。(2)保持体积不变，升高温度，平衡________(填“正向”、“逆向”或“不”)移动，密度________(填“变大”、“变小”或“不变”)。(3)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氩气，平衡______(填“正向”、“逆向”或“不”下同)移动。(4)当反应达到平衡时，保持温度、压强不变，充入氩气，平衡________移动。(5)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氮气，平衡________移动；氢气的转化率________(填“增大”、“减小”或“不变”)。[答案](1)1∶3(2)逆向不变(3)不(4)逆向(5)正向增大[拓展探究]14.合成氨的温度和压强通常控制在约500℃以及20MPa～50MPa的范围，当进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3时，经科学实验测定，在相应条件下N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：20MPa50MPa500℃19.142.2而实际上从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%。请回答下列问题：(1)298K下合成氨时，每生成1mol氨气，同时放出46.2kJ的热量，则该反应的热化学方程式为_______________________________________________________。在该温度下，取1molN2和3molH2放在一密闭容器中，在催化剂存在的条件下进行反应，测得反应放出的热量总小于92.4kJ，其原因是_______________________________________________________________________________________________________________________。(2)实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值的根本原因是________。A.表中所测数据有明显误差B.生产条件控制不当C.氨的分解速度大于预测值D.合成塔中的反应未达到平衡状态(3)若工业生产中N2和H2按投料比1∶2.8的比例进入合成塔，那么转化率较大的应该是________，采用此投料比的原因是________，若从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数仍为15%，则N2和H2的转化率之比是________。[解析](1)根据题意，生成2molNH3所放出的热量为46.2kJ×2＝92.4kJ，该反应的热化学方程式为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。由于合成氨的反应是一个可逆反应，1molN2和3molH2反应不可能完全转化为NH3，所以放出的热量总小于92.4kJ。(2)从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值，其根本原因是反应没有达到平衡状态。(3)若投料之比为1∶2.8，相当于增加了N2的用量，可以提高H2的转化率。N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)起始量12.80