1、第四节第四节 化学反应的调控化学反应的调控 题组一 合成氨反应适宜条件的选择 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 操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。 2在合成氨工业中，为增加 NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的 是( ) A不断将氨分离出来 B使用催化剂 C采用 700 K 左右的高温而不是 900 K 的高温 D采用 11073107 Pa 的压强 答案 B 解析 把氨分离出来是减小
2、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(700 K)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 利于正反应的进行，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 平衡移动无关。 3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
3、 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，但生成的 NH3 分离，再将未反应的 N2、H2循环利用，这样处理后，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 10 30 MPa，D 项错误。 4下列有关合成氨工业的说法中正确的是( ) A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
4、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，而非取决于压强的大小，D 项错误。 题组二 化工生产适宜条件的选择 5合成氨厂所需 H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为 CO(g)H2O(g)CO2
5、(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 解析 增大压强，平衡不移动；增大 CO 的浓度，平衡向右移动，但 CO 的转化率降低；使 用催化剂，平衡不移动，CO 的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移 动，CO 的转化率增大。 6 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
6、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 H2的利用率 答案 B 解析 B 项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。 题组三 合成氨反应的图像题 7某密闭容器中发生如下反应：N2(g)3H2(g) 高温、高压 催化剂 2NH3(g) H0。下图表示该 反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质 的初始加入量。下列说法中正确的是( ) At2时加入催化剂 Bt3时降低了温度 Ct5时增大了
7、压强 Dt4t5时间内转化率一定最低 答案 A 解析 合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明 t2时 刻改变的条件是加入了催化剂， 化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强， 化学平衡向左移动； t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以 t6以后转化率最低。 8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。
8、 9.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，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分 离出 NH3，使体系中 NH3的含量减小。 10.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 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
9、 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
10、确。 13在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g) 3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中 NH3的质量分数(y 轴所表示的)，绘 成图像如图所示，请回答下列问题： (1)A、B、C、D、E 五点中，肯定未达平衡的点是 。 (2)此可逆反应的正反应是 热反应。 (3)AC 曲线是增函数曲线， CE 曲线是减函数曲线， 试从化学反应速率和化学平衡的角度分析， 并说明理由： 。 答案 (1)A 点、 B 点 (2)放 (3)AC 曲线是增函数曲线， 温度升高， 反应速率加快， 生成 NH3 的质量分数增大；CE 曲线是减函数曲线，此反应的
11、正反应是放热反应，达到平衡后，温度 升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低 解析 (1)从图像中看出 C 点时，NH3的质量分数最高，说明 A、B 两点均未达到平衡。 (2)达到平衡(C 点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。 14如图表示 298.15 K 时，N2、H2与 NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据 图回答下列问题： (1)若反应中生成 2 mol 氨，则反应 (填“吸热”或“放热”) kJ。 (2)图中曲线 (填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应 速率的原理是 。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体
12、积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线 a 对应 的温度为 500 ，则曲线 b 对应的温度可能是 (填字母)。 A600 B550 C500 D450 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。 发生反应为 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(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
13、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与 3H2具有的总能量高于 2NH3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) kJ92 kJ 热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反
14、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
15、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 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。 3 min 时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min 时，水蒸气浓度应大于 0.2 mol L 1 ；若 升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生
16、成物浓度均增加，而且变化量之比正好等 于化学方程式的化学计量数之比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入 H2，平 衡向左移动，生成物浓度均多于 2 min 时的浓度。 15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 1.0105 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
17、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
18、 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 2NH3(g) 起始物质的量/mol 0.60 1.60 0 平衡物质的量/mol 0.60 x 1.603x 2x 平衡时反应体系总物质的量(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 2.0 mol L 1 0.20 mol L 1，KcN2 c 3H 2 c2NH3 5.010 3。
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