第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（鲁科版2019）

第2章　第4节　 1．SCR法是工业上消除氮氧化物的常用方法，反应原理为4NH3(g)＋4NO(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0。该法可能发生副反应4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)。投料比一定时，下列说法中不正确的是(　　) A．提高NO平衡转化率的条件是高温高压 B．提高NO平衡转化率的条件是低温低压 C．减少副反应的措施是选择合适的催化剂 D．减少副反应的措施是控制O2的用量 A　[4NH3(g)＋4NO(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)是正向气体物质的系数增大的放热反应，减小压强、降低温度，平衡正向移动，NO平衡转化率提高，A错误，B正确；选择合适的催化剂，可以提高反应的选择性，减少副反应的发生，C正确；在O2足量时，易发生副反应，故控制O2的用量，可减少副反应的发生，D正确。] 2．工业制备CuSO4的方法是在稀H2SO4中加入铜粉后，从容器下部吹入细小的空气泡，将Cu粉不断溶解。为提高制备CuSO4的反应速率，同时达到保护环境和充分利用原料的要求，可以采取的下列方法是(　　) ①将稀硫酸改用浓H2SO4；　②加入少量Ag粉；　③加入少量Zn粉；　④将稀H2SO4加热 A．只有④　　　　 B．只有③④ C．只有②④　　 D．只有①④ C　[题中涉及反应为2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O。①将稀硫酸改用浓H2SO4，Cu与浓H2SO4反应(加热才反应)生成CuSO4和SO2，产生污染性的SO2，不符合环保要求，错误；②加入少量Ag粉，形成原电池，Cu的活泼性强于Ag，Cu作负极，反应速率加快，正确；③加入少量Zn粉，形成原电池，Zn比Cu活泼，Zn作负极，不利于制备CuSO4，错误；④将稀H2SO4加热，反应速率加快，且不产生污染性气体，正确。] 3．丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。 已知：①C4H10(g)＋O2(g)=== C4H8(g)＋H2O(g)　 ΔH1＝－119 kJ·mol－1　 ②H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH2＝－242 kJ·mol－1 丁烷(C4H10)脱氢制丁烯(C4H8)的热化学方程式为C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)　ΔH3。 下列措施一定能提高该反应中丁烯平衡产率的是(　　) A．增大压强，升高温度　　 B．升高温度，减小压强 C．降低温度，增大压强　　 D．减小压强，降低温度 B　[根据盖斯定律，由①－②可得：C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)，则ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝(－119 kJ·mol－1)－(－242 kJ·mol－1)＝＋123 kJ·mol－1。要提高该反应中丁烯平衡产率，应使平衡正向移动，可采取的措施是减小压强、升高温度。] 4．工业上生产硫酸的主要反应是：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)；现向一个2 L的容积不变的密闭容器中投入2 mol SO2和1 mol O2，研究温度对SO2的平衡转化率和对催化剂催化效率的影响，结果如图所示。下列说法正确的是(　　) A．该反应的正反应为吸热反应 B．工业合成SO3的最佳温度是250℃ C．SO3的生产速率：v(N)一定大于v(M) D．450℃时，若5 min 达到平衡，则v(O2)＝0.09 mol·L－1·min－1 D　[由图可知，温度升高，SO2的平衡转化率降低，说明升高温度，平衡逆向移动，则该反应的正反应为放热反应，A错误；在250℃时，催化剂的催化效率较低，图中M点温度为450℃，此时催化效率最高，且SO2的平衡转化率为90%，故工业合成SO3的最佳温度是450℃，B错误；N点温度高于M点，温度越高，反应速率越快，但N点c(SO2)、c(O2)均小于M点，浓度越小，反应速率越慢，故SO3的生产速率：v(N)不一定大于v(M)，C错误；450℃时SO2的平衡转化率为90%,5 min 达到平衡，则反应消耗SO2的物质的量为2 mol×90%＝1.8 mol，则有v(O2)＝0.9 mol/(2 L×5 min)＝0.09 mol·L－1·min－1，D正确。] 5．某科研小组对碳酸锰与空气反应制备二氧化锰的条件进行了研究，获得了三幅关于反应物的转化率和条件关系的图(如图所示)。下列对于反应条件的选择不正确的是(　　) A．温度350℃左右(或325～375℃) B．水分含量为30%左右(或水分含量为20%～40%) C．湿空气中焙烧 D．干空气中焙烧 D　[由转化率与反应温度关系图可知，开始阶段转化率随温度升高而增大，350℃左右时转化率达到最大值，A正确。由转化率与水分含量关系图可知，水分含量在30%左右时，反应物的转化率最大，B正确。由转化率与焙烧时间关系图可知，在湿空气中焙烧，反应物转化率大，且焙烧所需时间短，故湿空气中焙烧更好，C正确。由转化率与焙烧时间关系图可知，在干空气中焙烧，焙烧所需时间较长，浪费较多能源，D错误。] 1．工业上利用焦炭与水蒸气生产H2的反应原理为C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH＞0；CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0；第二步生产的原料CO来源于第一步的产物。为提高原料的利用率及H2的日产量，下列措施中不可取的是(　　) ①第一步产生的混合气直接作为第二步的反应物 ②第二步生产应采用适当的温度和催化剂 ③第一、二步生产中均充入足量水蒸气 ④第二步应在低温下进行 ⑤第二步生产采用高压 ⑥第二步生产中增大CO的浓度 A．①③⑤　　　　 B．②④⑥ C．②③⑤　　 D．①④⑤⑥ D　[第一步产生的H2使第二步的平衡逆向移动，故应先进行分离，措施不可取，故①正确；第二步反应为放热反应，温度过低，反应速率太小而影响H2的日产量，温度过高则平衡逆向移动，且要考虑催化剂的活性，故应选择适当的温度和催化剂，故②可取错误、④不可取正确；增大廉价易得的水蒸气浓度可提高焦炭的利用率，③可取错误；压强对第二步反应无影响，不必采取高压，⑤不可取，故⑤正确；增大CO浓度并未提高主要原材料焦炭的利用率，⑥不可取，故⑥正确。] 2．可利用如下反应将二氧化碳转化为甲烷：CO2(g)＋2H2O(g)CH4(g)＋2O2(g)　ΔH＝＋802 kJ/mol，下图为在恒温、光照、不同初始浓度和不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ)作用下，体积为2 L的密闭容器中n(CH4)随光照时间的变化曲线。下列说法正确的是(　　) A．0～15 h内，催化剂Ⅱ的催化效果比催化剂Ⅰ效果好 B．反应开始后的30 h内，在第Ⅰ种催化剂的作用下，反应吸收的热量多 C．a点时，CO2的转化率相等 D．0～16 h时间内，v(O2)＝1.5 mol/(L·h) B　[因起始浓度不同，因此无法确定催化剂的催化效果，A错误； 30 h时，第Ⅰ种催化剂作用下生成的甲烷的物质的量多，因此吸收的热量多，B正确；题目中没给出起始浓度，因此无法比较转化率的大小，C错误；题目未指明是在哪种条件下的反应速率，无法进行计算，D错误。] 3．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2===CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图所示。下列说法正确的是(　　) A．M点的正反应速率v(正)大于N点的逆反应速率v(逆) B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中M点乙烯的体积分数为5.88% C．250℃时，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大 D．当温度高于250 ℃时，升高温度，平衡逆向移动，导致催化剂的催化效率降低 B　[温度越高，反应速率越快，由于温度：M＜N，则M点的正反应速率v(正)小于N点的逆反应速率v(逆)，A错误；若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，设n(H2)＝4 mol，n(CO2)＝1 mol；图中M点CO2的平衡转化率为50%，则反应中消耗0.5 mol CO2和1.5 mol H2，同时生成0.25 mol CH2===CH2(g)和1 mol H2O(g)，故M点乙烯的体积分数为(0.25 mol)/(4.25 mol)×100%≈5.88%，B正确；催化剂只改变反应速率，不能改变CO2平衡转化率，图中250℃时催化剂的催化效率最高，C错误；催化剂在一定温度范围内具有较高的催化效率，温度过低或过高，其催化效率均较低，当温度高于250℃时，升高温度，催化剂的催化效率降低与温度过高有关，D错误。] 4．乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯水合法生产，反应的化学方程式如下： C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)。下图为乙烯的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系[起始n(C2H4)∶n(H2O)＝1∶1]。 下列有关叙述正确的是(　　) A．Y对应的乙醇的物质的量分数为 B．X、Y、Z对应的反应速率：v(X)＞v(Y)＞v(Z) C．X、Y、Z对应的平衡常数数值：KX ＜KY ＜KZ　 D．增大压强、升高温度均可提高乙烯的平衡转化率 A　[起始n(C2H4) ∶ n(H2O)＝1∶1，设起始时n(C2H4)＝n(H2O)＝1 mol，图中Y点乙烯的平衡转化率为20%，则消耗C2H4、H2O均为0.2 mol，同时生成0.2 mol 乙醇，故乙醇的物质的量分数为＝，A正确。温度越高，反应速率越快，由于温度：X＜Y＜Z，则反应速率：v(X)＜v(Y)＜v(Z) ，B错误。由图可知，压强一定时，温度升高，乙烯的平衡转化率减小，则该反应的ΔH＜0；升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，由于温度：X＜Y＜Z，则平衡常数数值：KX ＞KY ＞KZ，C错误。增大压强，平衡正向移动，乙烯的平衡转化率增大；升高温度，平衡逆向移动，乙烯的平衡转化率减小，D错误。] 5．Ⅰ.某压强下工业合成氨生产过程中，N2与H2按体积比为1∶3投料时，反应混合物中氨的体积分数随温度的变化曲线如图甲所示，其中一条是经过一定时间反应后的曲线，另一条是平衡时的曲线。 (1)图甲中表示该反应的平衡曲线的是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)；由图甲中曲线变化趋势可推知工业合成氨的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)图甲中a点，容器内气体n(N2)∶n(NH3)＝______，图甲中b点，v(正)________v(逆)(填“＞”“＝”或“＜”)。 Ⅱ.以工业合成氨为原料，进一步合成尿素的反应原理为2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)。 工业生产时，需要原料气带有水蒸气，图乙中曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在不同水碳比时，CO2的平衡转化率与氨碳比之间的关系。 (1)曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最大的是________，判断依据是___________。 (2)测得B点氨气的平衡转化率为40%，则x1＝_______。 解析　Ⅰ.(1)曲线Ⅱ表示随着反应的进行，NH3的体积分数逐渐增大，但反应达到平衡状态后继续升温，氨气的体积分数减小，这表明平衡后升高温度，平衡逆向移动，故合成氨是放热反应。因合成氨为放热反应，故随着温度的升高，平衡逆向移动，NH3的体积分数会逐渐降低，故曲线Ⅰ表示该反应平衡时的曲线。 (2)设反应前N2、H2的物质的量分别为1 mol、3 mol，a点时消耗N2的物质的量为x mol。 　　　 　N2 ＋ 3H22NH3 n(初始)/mol　　　1　　 3　　　0 n(变化)/mol　　　x　 　3x　　 2x n(平衡)/mol 　　1－x 3－3x　 2x ×100%＝50%，解得x＝，此时n(N2)∶n(NH3)＝∶＝1∶4。由图甲知，b点后NH3的体积分数仍在增大，说明反应仍在向正反应方向进行，此时v(正)＞v(逆)。 Ⅱ.(2)当氨碳比一定时，水碳比越大，说明原料气中含水蒸气越多，故二氧化碳的转化率越小，则曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中对应的水碳比最大的是曲线Ⅲ。 (3)B点二氧化碳的平衡转化率为60%，氨气的平衡转化率是40%，设NH3、CO2的起始物质的量分别为x、y，则x×40%×＝y×60%，解得＝3，即x1＝3。 答案　Ⅰ.(1)Ⅰ　放热　(2)1∶4　＞ Ⅱ.(1)Ⅲ　当氨碳比相同时，水碳比越大，CO2的平衡转化率越小　(2)3 6．化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。 (1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH＞0。如图所示，反应(1)在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________T2(填“＞”“＜”或“＝”)。上述反应体系中循环使用的物质是________。 (2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。 该反应ΔH________0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是____________________________________。 解析　(1)由题意可知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2TaI4＋S2，②TaI4＋S2TaS2＋2I2，即反应Ⅰ先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应Ⅰ的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)由图可得，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH＜0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。 答案　(1)＜　I2 (2)＜　在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失 学科网（北京）股份有限公司 $$