1、第四节第四节 化学反应的调控化学反应的调控 题组一 合成氨条件的选择 11913 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。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施 是( ) A B C D 答案 B 解析 操作均有利于化学平衡向合成氨的方向移动，提高转化率。 2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中，其中 NH3只占 15%，所以合成氨厂的产率都很低 B由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高 C合成氨工业的反应温度控制在 400500 ，目的是使化学平
2、衡向正反应方向移动 D合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件 答案 B 解析 合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时， 原料的转化率并不高， 但将生成的 NH3 分离，再将未反应的 N2、H2循环利用，可使氨的产率较高，A 项错误、B 项正确；合成氨工 业选择 400500 的温度， 主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑， 合成氨的反应是放热 反应， 低温才有利于平衡向正反应方向移动， C 项错误； 不论从反应速率还是化学平衡考虑， 高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择 1030 MPa，D 项 错误。 3下列有关合成氨工业的说法中正确的是( ) A
3、铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D合成氨采用的压强是 11073107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 答案 C 解析 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间， A 项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化 学平衡向合成氨的方向移动，B 项错误；增大压强反应速率加快，C 项正确；催化剂的活性 取决于温度的高低，而非压强的大小，D 项错误。 题组二 以合成氨为背景的综合题 4对于合成氨反应
4、，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 答案 B 解析 A 项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大， 但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，升高温度对逆反应的反应速率影 响更大，错误；B 项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应 速率影响更大，正确；C 项，减小反应物浓度，正反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没 有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减
5、小反应物浓度，对正反应的反应速 率影响更大，错误；D 项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率影响相同，错误。 5(2020 保定高二检测)对于合成氨反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g) Hp2，由 p1p2，减小压强，化学平衡左移，NH3 的体积分数应降低，错误；B 项，由于此反应 H0，故升温平衡左移，N2的转化率降低， 错误；C 项，增大 N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，正确；D 项，使用 催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。 6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) H673 K，工
6、业 合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C 项正确；反应达到 平衡前，a 点反应物浓度大于 b 点，因此 a 点的正反应速率比 b 点的大，D 项错误。 7.在 N2(g)3H2(g)2NH3(g) HK C平衡体系中 NH3的含量增大 DN2的转化率增大 答案 D 解析 分离出 NH3，Qv逆，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离 出 NH3，体系中 NH3的含量减小。 8.某温度下， 对于反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H92.4 kJ mol 1。 N 2的平衡转化率() 与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( ) A将 1
7、 mol 氮气、3 mol 氢气置于 1 L 密闭容器中发生反应，放出的热量为 92.4 kJ B平衡状态由 A 变为 B 时，平衡常数 K(A)甲 B平衡后 N2的浓度：乙甲 CH2的平衡转化率：乙甲 D平衡混合气体中 H2的体积分数：乙甲 答案 D 解析 因为乙容器中的原料投入量正好是甲的 2 倍，故 A 项正确；假设开始时乙容器的体积 是甲的 2 倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)， 则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即 N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混 合气体中的体积分数减小，故 C 项正确、D 项错误；平衡时，乙中 N2、H2、NH3的浓
8、度分别 比甲中 N2、H2、NH3浓度大，但乙中 N2、H2的浓度要分别小于甲中 N2、H2浓度的 2 倍，而 乙中 NH3的浓度要大于甲中 NH3浓度的 2 倍，故 B 项正确。 题组三 化学反应的调控 10据报道，在 300 、70 MPa 下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g) 6H2(g)CH3CH2OH(g)3H2O(g)，下列叙述错误的是( ) A使用 Cu- Zn- Fe 催化剂可大大提高生产效率 B反应需在 300 下进行可推测该反应是吸热反应 C充入大量 CO2气体可提高 H2的转化率 D从平衡混合气体中分离出 CH3CH2OH 和 H2O 可提高 CO2和 H
9、2的利用率 答案 B 11纳米钴常用于 CO 加氢反应的催化剂：CO(g)3H2(g)CH4(g)H2O(g) H0。一定温度下，在 1 L 容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol L 1) H2O/(mol L 1) CO/(mol L 1) H2/(mol L 1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 表中 x_mol L 1；前 2 min 内 CH 4的平均反应速率为_。 反应在 34 min 之间，氢气的物质的量增多的原因可能是_(填字母)。 A充入水
10、蒸气 B升高温度 C使用催化剂 D充入氢气 答案 (1)放热 92 (2)b 改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能 (3)D (4)0.11 0.05 mol L 1 min1 B 解析 (1)由图中能量状态可知 N2(g)与 3H2(g)具有的总能量高于 2NH3(g)所具有的能量， 故该 反应为放热反应，并且反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)每生成 2 mol NH3放出(600508) kJ 92 kJ 热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降 低，从而加快了反应速率，故曲线 b 代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应， 当其
11、他条件不变时， 升高温度， 平衡向逆反应方向移动， 平衡混合物中 NH3的体积分数降低。 图像中，当压强不变时，曲线 b 对应的温度下平衡混合物中 NH3的体积分数大于曲线 a 对应 的 NH3的体积分数，所以曲线 b 对应的温度低于曲线 a 对应的温度。(4) 前 2 min 内 CH4 的反应速率为v(CH4)1 3v(H2) 1 3 0.3 mol L 1 2 min 0.05 mol L 1 min1。 由表分析23 min时， 反应达到平衡状态，此时生成 H2的浓度为 0.3 mol L 1。 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g) 起始浓度/mol L 1 0.2 0.3
12、 0 0 转化浓度/mol L 1 0.1 0.1 0.1 0.3 2 和 3 min 浓度/(mol L 1) 0.1 0.2 0.1 0.3 34 min 转化浓度/mol L 1 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min 时浓度/mol L 1 0.09 0.19 0.11 0.33 所以 x0.11。 13科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、 常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量 Fe2O3的 TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产 物为 NH3。进一步研究 NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强 1.0 1
13、05 Pa、反应时间 3 h)： T/K 303 313 323 353 NH3生成量/10 6 mol 4.8 5.9 6.0 2.0 相应的热化学方程式如下： N2(g)3H2O(l)2NH3(g)3 2O2(g) H765.2 kJ mol 1 回答下列问题： (1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应 速率且增大 NH3生成量的建议：_。 (2)工业合成氨的反应为 N2(g)3H2(g) 高温、高压 催化剂 2NH3(g)。 设在容积为 2.0 L 的密闭容器 中充入 0.60 mol N2(g)和 1.60 mol H2(g)， 反应在一定条
14、件下达到平衡时， NH3的物质的量分数 (NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为4 7。计算： 该条件下 N2的平衡转化率为_。 该条件下反应 2NH3(g) 高温、高压 催化剂 N2(g)3H2(g)的平衡常数为_。 根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是_(填字母)。 a研制耐高压的合成塔 b采用超大规模的工业生产 c研制耐低温复合催化剂 d探索不用 H2和 N2合成氨的新途径 答案 (1)升温、增大 N2浓度(合理即可) (2)66.7% 5.010 3 c 解析 (2)设反应过程消耗 x mol N2(g)。 N2(g) 3H2(g) 高温、高压 催化剂 2N
15、H3(g) 起始/mol 0.60 1.60 0 平衡/mol 0.60 x 1.603x 2x 平衡时反应体系总物质的量为(0.60 x)(1.603x)2x mol(2.202x) mol NH3(g)的物质的量分数为 2x 2.202x 4 7 解得 x0.40，N2的平衡转化率为0.40 mol 0.60 mol100%66.7%。 设此时反应 2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为 K。平衡时，c(NH3)20.40 2.0 mol L 10.40 mol L1 ，c(N 2)0.600.40 2.0 mol L 10.10 mol L1，c(H 2)1.6030.40 2
16、.0 mol L 10.20 mol L1，KcN2 c 3H 2 c2NH3 5.010 3。 142018 年是合成氨工业先驱哈伯(F Haber)获得诺贝尔奖 100 周年。N2和 H2生成 NH3的反 应为 1 2N2(g) 3 2H2(g) NH3(g) H(298K)46.2 kJ mol 1，在 Fe 催化剂作用下的反应历程如 下(*表示吸附态) 化学吸附：N2(g)2N*；H2(g)2H* 表面反应：N*H*NH*；NH*H*NH2* NH2*H*NH3* 脱附：NH3*NH3(g) 其中，N2吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答： (1)利于提高合
17、成氨平衡产率的条件有_(填字母)。 A低温 B高温 C低压 D高压 E催化剂 (2)实际生产中，常用 Fe 作催化剂，控制温度 773 K，压强 3.0107 Pa，原料中 N2和 H2物质 的量之比为 12.8。分析说明原料气中 N2过量的两个理由：_、 _。 (3)关于合成氨工艺的下列理解，正确的是_(填字母)。 A合成氨反应在不同温度下的 H 和 S 都小于零 B当温度、压强一定时，在原料气(N2和 H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高 平衡转化率 C基于 NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 D分离空气可得 N2，通过天然气和水蒸气转化可得
18、H2，原料气须经过净化处理，以防止催 化剂“中毒” 答案 (1)AD (2)原料气中 N2相对易得，适度过量有利于提高 H2的转化率 N2的吸附分解 是决定反应速率的步骤，适度过量有利于提高整体反应速率 (3)ACD 解析 (1)1 2N2(g) 3 2H2(g) NH3(g) H(298 K)46.2 kJ mol 1 是气体体积减小的放热 反应，低温有利于平衡正向移动，提高平衡产率，A 正确、B 错误；低压平衡逆向移动，不 利于提高平衡产率，C 错误、D 正确；催化剂只改变反应速率，不改变化学平衡，不能提高 平衡产率，E 错误。 (3)1 2N2(g) 3 2H2(g) NH3(g) H(298 K)46.2 kJ mol 1 是气体体积减小的放热反应，该 反应在不同温度下的 H 和 S 都小于零，A 正确；NH3易液化，不断将液氨移去，有利于反 应正向进行， C 正确； 合成氨的反应在合成塔中发生， 原料气中的 N2是从空气中分离得到的， 原料气须经过净化处理，以防止催化剂“中毒”，D 正确。