第4节　化学反应条件的优化-工业合成氨（练习含解析）

2/2第4节化学反应条件的优化——工业合成氨1.在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10mol、30mol，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与前者相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为（）A.15mol和25％ B.20mol和50％C.20mol和75％ D.40mol和50％2.一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的容积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率（）A.a中大 B.b中大C.a、b中一样大 D.无法判断3.工业上用N2和H2合成NH3，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是（）A.消耗0.1molH2时，生成N—H数目为0.2NAB.合成氨反应温度一般选择400～500℃，因为该反应为吸热反应C.0.4molN2所含电子的数目为4NAD.氧化22.4LNH3生成NO，消耗O2分子数为2NA4.合成氨所需的氢气可用煤和水作为原料经多步反应制得，其中的一步反应为CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）ΔH＜0反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是（）A.增加压强 B.降低温度C.增大CO的浓度 D.更换催化剂5.N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）ΔH＜0，向容器中通入1molN2和3molH2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是（）①降低温度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H2③增加NH3的物质的量④维持恒压条件，通入一定量惰性气体A.①④ B.①②C.②③ D.③④6.合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如图所示。下列关于合成氨工业的说法中不正确的是（）A.将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想B.合成氨反应需在低温下进行C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D.使用催化剂可以提高反应速率，提高单位时间内氨气的产量7.（2025·广州高二期末）H2与N2在固体催化剂表面合成NH3的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表1mol该分子或原子，已知N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）ΔH＝－92kJ·mol－1。下列说法正确的是（）、、分别代表N2、H2和NH3A.该反应在高温下可自发进行B.实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率C.实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率D.1molN2和3molH2断键生成2molN和6molH吸收的能量为｜ΔH1＋ΔH2｜8.（2025·湖南长沙高二检测）在一定条件和催化剂作用下，二氧化碳加氢可以合成二甲醚（CH3OCH3），发生反应Ⅰ：2CO2（g）＋6H2（g）CH3OCH3（g）＋3H2O（g）ΔH1＜0，在同一条件下还可能发生副反应Ⅱ：CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）ΔH2＞0。下列说法正确的是（A.实际生产中温度常常控制在500℃左右，这是因为在高温下生成二甲醚的选择性较高B.增大压强有助于生成更多二甲醚，故生产中使用的压强越大越好C.在任何温度下反应Ⅰ都能自发进行D.及时将二甲醚从体系中分离出来有助于提高二甲醚的平衡产率9.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ·mol－1据此回答以下问题：（1）①该反应的化学平衡常数表达式为。②根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡常数越。（2）某温度下，若把10molN2与30molH2置于容积为10L的恒容密闭容器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，则该温度下反应的平衡常数K＝（可用分数表示）。能说明该反应达到化学平衡状态的是（填字母）。a.容器内的密度保持不变b.容器内压强保持不变c.v正（N2）＝2v逆（NH3）d.混合气体中c（NH3）不变（3）对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是（填字母）。（4）相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1molN2和3molH2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中NH3的体积分数为a，放出热量Q1kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量Q2kJ。则：a（填“＞”“＝”或“＜”，下同）b，Q192.4。10.工业合成氨是人类科技的一项重大突破，其反应为3H2（g）＋N2（g）⇌2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ·mol－1。（1）判断该反应的自发性并说明理由：。（2）工业合成氨流程示意图如图1：①工业上通常在400～500℃下进行合成氨反应，用碰撞理论解释为什么不在常温下进行反应：。②干燥净化的目的是，装置A的作用为，B处的物质主要是（写出物质并注明状态）。③工业上N2和H2混合气反应后经过图1中的过程再及时补充N2和H2进入合成塔反应，以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，循环过程中转化率随温度变化曲线如图2所示，图2所示进程中表示热交换过程的是（填字母）。A.a1→b1B.b1→c1C.c1→a2D.a2→c1E.c1→b2F.b2→c2G.c2→a3H.a3→c2（3）已知Arrhenius经验公式为Rlnk＝－EaT＋C（Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数），假设使用现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图所示，科学家研制出一种新型催化剂，合成氨条件降为350℃、1MPa，在图中画出在使用该高效催化剂条件下Rlnk与1第4节化学反应条件的优化——工业合成氨1.C以N2、H2为起始时，N2为10mol，H2为30mol，要以NH3开始反应，并且平衡时百分含量与前者相同，则应加入的NH3的量必须是20mol。设以NH3开始反应时，氨转化的物质的量为x，那么有20mol－x＝2×10mol×25％，x＝15mol，氨的转化率：15mol20mol×100％＝75％2.A由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。3.A合成氨反应中，每消耗3mol氢气生成2mol氨气，2mol氨气含6molN—H，所以消耗0.1mol氢气可生成0.2NAN—H，A项正确；合成氨为放热反应，B项错误；每个N2分子中含14个电子，故0.4molN2含电子数为5.6NA，C项错误；没有给出温度和压强，22.4L气体物质的量不确定，D项错误。4.BA项，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO的转化率无影响；B项，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右移动，提高CO的转化率；C项，增大CO的浓度会降低CO的转化率；D项，更换催化剂不能使化学平衡发生移动。5.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，相当于增大压强，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。6.B混合气的循环利用可以提高原料的利用率，减少污染和浪费，符合绿色化学思想，A正确；低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率也不利于催化剂发挥催化作用，故合成氨不采用低温条件，B错误；增大压强，平衡正向移动，提高了原料的转化率，C正确；催化剂能改变反应速率，单位时间内提高氨的产量，D正确。7.C该反应是熵减的放热反应，ΔH－TΔS＜0，低温条件下反应能自发进行，A错误；该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，生成物的产率降低，则实际生产采用高温是为了加快反应速率，B错误；反应未达平衡时，催化剂能加快反应速率，有利于提高反应物的转化率，C正确；由图可知，｜ΔH1＋ΔH2｜包含断键吸收的能量和吸附氢气和氮气的能量变化，所以1mol氮气和3mol氢气断键生成2mol氮原子和6mol氢原子吸收的能量小于｜ΔH1＋ΔH2｜，D错误。8.D反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，温度升高，反应Ⅰ平衡逆向移动，反应Ⅱ平衡正向移动，故高温下发生反应Ⅰ生成二甲醚的选择性较低，实际生产中温度常常控制在500℃左右可能是考虑催化剂活性，A错误；反应Ⅰ是气体分子数减小的反应，故增大压强有助于生成更多产物，但生产中还需考虑设备成本等问题，故压强并非越大越好，B错误；反应Ⅰ是放热、熵减的反应，即ΔH＜0，ΔS＜0，则吉布斯自由能ΔG＝ΔH－TΔS在高温下可能大于零，此时反应不能自发进行，C错误；及时将二甲醚从体系中分离减小了反应Ⅰ的生成物浓度，使反应Ⅰ平衡正向移动，提高了二甲醚的平衡产率，D正确。9.（1）①K＝c平2（（2）112（mol·L－1）－2bd（3）ac（4）＜解析：（2）设转化的氮气的浓度为xmol·L－1，列三段式：N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）初始浓度/（mol·L－1） 1 3 0转化浓度/（mol·L－1） x 3x 2x平衡浓度/（mol·L－1） 1－x 3－3x 2x反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，即2x1－x+3－3x+2x×100％＝20％，解得x＝13，则K＝c平2（NH3）c平（N2）·c平3（H2）＝23mol·L－1223mol·L－1×（2mol·L－1）3＝112（mol·L－1）－2。容器容积不变，气体质量不变，所以容器内的密度始终保持不变，a错误；容器容积不变，反应前后气体物质的量不相等，所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，b正确；v正（N2）＝2v逆（NH3），正、逆反应速率不相等，说明反应未达到平衡状态，c错误；混合气体中c（NH3）不变，说明各组分浓度都不变，反应达到平衡状态，d正确。（3）先出现拐点的先达到平衡状态，则T2＞T1，温度升高，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，10.（1）该反应在低温下能够自发进行；因ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温下小于0（2）①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢②除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低催化效率增大压强液态氨气③BDFH（3）解析：（1）该反应为放热的熵减反应，根据ΔH－TΔS＜0反应能够自发进行，则该反应在低温条件下能够自发进行。（2）①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢，400～500℃时活化分子比率较高，发生有效碰撞的几率较大，反应速率较快，故不在常温下进行反应；②干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低催化效率；反应为气体分子数减小的反应，增大压强利于反应正向进行且可以提高反应速率，故装置A的作用为对反应物进行加压；B处的物质主要是分离出的液氨，使得生成物浓度减小，利于反应正向进行，提高原料的利用率；③反应混合气在热交