1、第四节第四节 化学反应的调控化学反应的调控 基础巩固 1.合成氨工业中控制的反应条件应为( ) A.温度越高越好 B.压强越大越好 C.混合气体中氢气含量越高越好 D.所选的催化剂活性越大越好 解析 工业合成氨的条件是高温、高压、催化剂，其中催化剂的使用是为了加快 化学反应速率；工业合成氨的反应是一个放热反应，所以低温有利于提高原料的 转化率，使化学平衡向着生成氨的方向移动，但考虑到低温的反应速率太慢，一 般采用 400500 温度； 该反应是一个气体体积缩小的反应， 所以高压有利于平 衡向右移动，但压强太高，设备的造价就高，所以一般是在 10 MPa30 MPa； 混合气体中氢气的含量高，尽
2、管平衡向生成氨的方向移动，但因为氢气的成本较 高，所以往往选用氮气过量。 答案 D 2.能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( ) A.升高温度 B.降低压强 C.使用催化剂 D.不断移去 NH3 解析 合成氨的反应特点：体积减小的放热反应，增大压强或降低温度均可增大 反应进行的程度，此外增大反应物浓度或减小生成物浓度也可达到目的。 答案 D 3.合成氨工业上采用了循环压缩操作，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 合成氨工业上采用循环压缩操作，将 N2、H2压缩到合成塔中循环利用， 提高了 N2、H2的
3、利用率。 答案 D 4.在合成氨工业中，为增加 NH3的日产量，下列措施与平衡移动无关的是( ) A.不断将氨分离出来 B.使用催化剂 C.采用 450 左右的高温而不是 650的高温 D.采用 10MPa30 MPa 的压强 解析 把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反 应，相对较低温度(400500)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量 减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D 都符合平衡移动原理，而使 用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。 答案 B 5.合成氨厂所需 H2可由焦炭与水蒸气反应制得，其中有一步反应为 CO(g) H2O(g)CO2
4、(g)H2(g) H0。 欲提高 CO 的利用率， 可采用的方法是( ) 降低温度 增大压强 使用催化剂 增大 CO 的浓度 增大水蒸气的 浓度 A. B. C. D. 答案 C 6.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 7.1913 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. B. C. D. 答案 B 8.安全性是汽车发展需要解决的重要问题，安全气囊设计的基本思路是在汽车发 生碰撞时
5、，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，使乘员扑 在气袋上，避免或减缓人与汽车的二次碰撞，从而达到保护乘员的目的。气囊中 的气体是由化学反应产生的，选择或设计化学反应时需要考虑下列哪些角度 ( ) 反应速率 反应限度 气体的量 气体毒性 反应的能量变化 A. B. C. D. 解析 气体由化学反应产生，常用的是氮气，起保护作用时，需要快速产生，即 反应速率快， 产生气体的量适当， 就要考虑限度和量的问题， 气体不能使有毒的， 根据以上分析可知需要考虑的角度有：反应速率，反应限度，气体的量，气体毒 性，即。 答案 B 9.已知合成氨反应 N2(g) 3H2(g)2NH3(g) H0
6、，当反应器中按 n(N2) n(H2)13 投料后，在不同温度下，反应达到平衡时，得到混合物中 NH3的物 质的量分数随压强的变化曲线 a、b、c 如下图所示。下列说法正确的是( ) A.曲线 a 对应的反应温度最高 B.上图中 M、N、Q 点平衡常数 K 的大小关系为 K(M)K(Q)ba D.N 点时 c(NH3)0.2 mol/L，则 N 点的 c(N2)c(NH3)11 解析 A.正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小，而 a 点 氨的体积分数最大，所以曲线 a 对应的反应温度最低，故 A 错误；B.K 只受温度 影响，温度不变平衡常数不变，所以 K(M)K(Q)，正反
7、应为放热反应，升高温 度平衡逆向移动，平衡常数减小，Q 点的温度低于 N，所以 K(Q)K(N)，故 B 错误；C.相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡消耗时间越 短， c、 b、 a 的温度依次降低， 所以达到平衡消耗时间关系为 abc， 故 C 错误； D.N 点时氨的物质的量的分数为 20%，利用三段式，设 N2转化率是 b，N2的起始 浓度为 a，根据反应 根据题意有 2ab （aab）（3a3ab）2ab20%，2ab0.2 mol L 1，所以 a 0.3 mol L 1，b1 3，则 N 点的 c(N2)c(NH3)(0.30.3 1 3 )20.3 1 3 0.
8、20.211，故 D 正确；故选 D。 答案 D 10.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) H 92.4 kJ moL 1，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/ 210.01 252.77 77.74 沸点/ 195.79 259.23 33.42 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
9、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) 可 写 出 ： K c2（NH3） c（N2） c3（H2） ，此反应 H0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向 吸热的方向移动，即向左移动，c(NH3)减小，c(N2)和 c(H2)增大，故 K 减小。 (2)K 值越大，说明 c(NH3)越大，c(N2)和 c(H2)就越小，反应进行的程度越大，故 其他条件相同时 N2的转化率越高，NH3的产率越大。 (3)根据气体的熔、沸
10、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) c2（NH3） c（N2） c3（H2） 减小 (2)AB (3)33.42 NH3 N2和 H2 能力提升 11.1913 年， 德国化学家哈伯实现了合成氨的工业化生产， 被称作解救世界粮食危 机的化学天才，现将 1 mol N2和 3 mol H2投入 1 L 的密闭容器，在一定条件下， 利用如下反应模拟哈伯合成氨的工业化生产： N2(g)3H2(g)2NH3(g) H0。 当改变某一外界条件(温度或压强)时， NH3的体积分数 (NH3)变化趋势如图所示。 回答下列问题： (1)已知：
11、NH3(l)=NH3(g) H1，N2(g)3H2(g)2NH3(l) H2；则反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)的 H_(用含 H1、H2的代数式表示)； (2)合成氨的平衡常数表达式为_， 平衡时， M 点 NH3的体积分数为 10%， 则 N2的转化率为_(保留两位有效数字) ； (3)X 轴上 a 点的数值比 b 点_(填“大”或“小”)。上图中，Y 轴表示 _( 填 “ 温 度 ” 或 “ 压 强 ”) ， 判 断 的 理 由 是 _； (4)若将 1 mol N2和 3 mol H2分别投入起始容积为 1 L 密闭容器中， 实验条件和平 衡时的相关数据如表所示： 容器编号
12、实验条件 平衡时反应中的能量变化 恒温恒容 放热 Q1kJ 恒温恒压 放热 Q2kJ 恒容绝热 放热 Q3kJ 下列判断正确的是_； A.放出热量：Q1Q2 B.N2的转化率： C.平衡常数： D.达平衡时氨气的体积分数： 解析 (1)已知： NH3(l)NH3(g) H1， N2(g)3H2(g)2NH3(l) H2， 根据盖斯定律， 2可得： N2(g)3H2(g)2NH3(g)， 故 H2H1H2； (2)反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)的平衡常数表达式 K c2（NH3） c（N2） c3（H2） ，设 转化的氮气为 x mol，则： 所以 2x 42x10%，解得 x 2
13、11，故氮气转化率为 2 11 mol 1 mol 100%18%；(3)随 Y 值增大，(NH3)减小，平衡 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H0 向逆反应方向移 动，正反应为体积减小的放热反应，故 Y 为温度，则 X 为压强，增大压强平衡正 向移动，(NH3)增大，a 点的数值比 b 点小； (4)A.为恒温恒容，随反应进行压强减小，为恒温恒压，等效为在的基础 上增大压强，平衡正向移动，中反应物转化率大于，放出热量：Q1Q2，故 A 正确；B.为恒容绝热，随反应进行温度升高，为恒温恒容，等效为在 的基础上升高温度，平衡逆向移动，N2的转化率：，故 B 正确；C.平衡常 数只受温度影响
14、，温度相同，平衡常数相同，则平衡常数：，故 C 错误； D.等效为在的基础上增大压强， 平衡正向移动， 则达平衡时氨气的体积分数： ，故 D 错误；故答案为 AB。 答案 (1) 2H1H2 (2) c2（NH3） c（N2） c3（H2） 18% (3)小 温度 随 Y 值 增大， (NH3)减小， 平衡 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H0 向逆反应方向移动， 故 Y 为温度 (4) AB 12.CH4CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO 和 H2)， 还对温室气体的减排具有 重要意义。回答下列问题： (1)CH4CO2催化重整反应为 CH4(g)CO2(g)=2CO(g)2H2(
15、g)。 已知：C(s)2H2(g)=CH4(g) H75kJ mol 1 C(s)O2(g)=CO2(g) H394kJ mol 1 C(s)1 2O2(g)=CO(g) H111kJ mol 1 该催化重整反应的 H_ kJ mol 1。有利于提高 CH 4平衡转化率的条件 是_(填标号)。 A.高温低压 B.低温高压 C.高温高压 D.低温低压 某温度下，在体积为 2 L 的容器中加入 2 mol CH4、1 mol CO2以及催化剂进行重 整反应，达到平衡时 CO2的转化率是 50%，其平衡常数为_。 (2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。 相关数据
16、如下表： 积碳反应 CH4(g) =C(s) 2H2(g) 消碳反应 CO2(g) C(s)= 2CO(g) H/kJ mol 1 75 172 活化能/ kJ mol 1 催化剂 X 33 91 催化剂 Y 43 72 由 上 表 判 断 ， 催 化 剂 X_Y( 填 “ 优 于 ” 或 “ 劣 于 ”) ， 理 由 是 _。 解析 (1)将题给三个反应依次编号为、： C(s)2H2(g)=CH4(g) H75 kJ mol 1 C(s)O2(g)=CO2(g) H394 kJ mol 1 C(s)1 2O2(g)=CO(g) H111 kJ mol 1 根据盖斯定律，由2可得 CH4(g)
17、CO2(g)=2CO(g)2H2(g) H247 kJ mol 1；根据平衡移动的影响因 素，该反应的正反应是一个吸热、气体体积增大的反应，所以高温低压有利于反 应正向移动；该反应三段式为： K c2（CO） c2（H2） c（CH4） c（CO2） （0.5）2（0.5）2 0.750.25 1 3。 答案 (1)247 A 1 3 (2) 劣于 相对于催化剂 X， 催化剂 Y 积碳反应的活化能大， 积碳反应的速率小； 而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大 13.合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为 N2(g) 3H2(g)2NH3(g) H92.4 kJ mol 1 (1)
18、已知：2H2(g)O2(g)2H2O(g) H483.6 kJ mol 1。则 4NH 3(g) 3O2(g)2N2(g)6H2O(g) H_ kJ mol 1。 (2)如图所示，合成氨反应中未使用催化剂时，逆反应的活化能 Ea(逆)_ kJ mol 1；使用催化剂之后，正反应的活化能为_ kJ mol1(已知：加入催 化剂后，反应分两步进行，反应的活化能是两个过程中需要吸收能量较大的反应 的活化能)。 (3)从平衡视角考虑，工业合成氨应该选择常温条件，但实际工业生产却选择 500 左右的高温，试解释其原因： _。 (4)如图表示 500 、60 MPa 条件下，原料气投料比与平衡时 NH3的
19、体积分数的 关系。根据图中 a 点数据计算 N2的平衡体积分数为_。 (5)合成氨需要选择合适的催化剂，分别选用 A、B、C 三种催化剂进行实验，所 得结果如图所示(其他条件相同)， 则实际生产中适宜选择的催化剂是_ (填 “A”“B”或“C”)，理由是_。 解析 (1)将题给已知热化学方程式依次编号为、，根据盖斯定律，由 3 2可得 4NH3(g)3O2(g)2N2(g)6H2O(g) H(483.6 kJ mol 1)3 92.4 kJ mol 121 266 kJ mol1； (2)根据 H正反应的活化能逆反应的活化能可知，合成氨反应中未使用催化 剂时， 逆反应的活化能 Ea(逆)(33
20、592.4)kJ mol 1427.4 kJ mol1； 由图 1 及括 号内的已知信息可知，使用催化剂之后，正反应的活化能为 126 kJ mol 1； (3)反应温度越高， 反应速率越快， 且在 500 左右催化剂活性较高， 若温度过高， 平衡将逐渐逆向移动，不利于氨的合成，所以在实际工业生产中选择 500 左右 的高温； (4)根据图2中的数据可知， a点时NH3的平衡体积分数为12%， 投料比n(N2)n(H2) 13， 解法一：设起始加入的 N2为 1 mol，参与反应的 N2为 n mol，根据三段式法有： 则 2n 42n100%12%，解得 n 3 14，N2 的平衡体积分数为
21、 1n 42n100%22%。 解法二： 起始投料比等于化学计量数之比， 则 N2的平衡体积分数为(112%)1 4 22%。 (5)由图 3 可知，催化剂 A 在较低温度下具有较高的催化活性，且合成氨反应是放 热反应，低温对氨的合成有利，所以实际生产中适宜选择的催化剂是 A 。 答案 (1)1 266 (2)427.4 126 (3)从反应速率角度考虑， 反应温度越高， 反应速率越快； 从催化剂活性角度考虑， 500左右催化剂活性较高；温度过高，平衡将逐渐逆向移动，不利于氨的合成 (4) 22% (5) A 催化剂 A 在较低温度下具有较高的催化活性，一方面可节约能源，另一方 面低温有利于氨的合成
