专题04 化学反应的方向和工业合成氨（考题猜想）（5大题型）-2024-2025学年高二化学上学期期末考点大串讲（沪科版2020）

专题04 化学反应的方向和工业合成氨 题型1 自发过程和自发反应 题型2 化学反应方向的判定 题型3 工业合成氨 题型4 工业生产中反应条件的分析 题型5 结合工业生产的化学平衡综合题 ▉题型1 自发过程和自发反应 【例1】下列各说法中，正确的是 A．能够自发进行的反应不一定都是放热反应 B．能够自发进行的反应就一定能够发生并完成 C．同一物质：固体→液体→气体变化是焓减和熵增的过程 D．-10℃的水结成冰，可用熵变判据来解释该变化过程的自发性 【变式1-1】下列反应属于非自发反应的是 A．钠与水反应 B．氢气在氧气中燃烧生成水 C．水分解变成氢气和氧气 D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵 【变式1-2】化学与生活息息相关。下列不属于自发进行的变化是 A．墨汁加到清水中使整杯水变黑 B．水在0℃以下结为冰 C．石灰石转化为生石灰 D．铁器在潮湿的空气中生锈 ▉题型2 化学反应方向的判定 【例2】下列关于焓判据和熵判据的说法中，不正确的是 A．放热的自发过程可能是熵减小的过程，吸热的自发过程一定为熵增加的过程 B．放热过程或熵增加的过程一定是自发的 C．碳酸钙分解反应在室温下不能自发进行，但在较高温度下可能自发进行 D．　　在常温常压下能自发进行 【例3】化学反应方向的综合判据是判断反应能否白专进行的关键。由于反应的焓变、熵变随温度的变化较小，假设它们不随温度变化，根据下表数据。 化学反应 AH/kJ·mol—1 ① -98 57.2 ② 393.5 -2.86 ③ -176 -285 （1）根据表中数据可知：反应①在 下(填“高温”、“低温”、“任何温度)正向能自发进行。 （2）有人提出采用适当的催化剂，用热分解法分解CO2，以减少CO2的排放，你认为是否可行？ (填“是”或“否”)。阐述判断的理由 。 （3）利用综合判据，计算反应③能正向自发进行的温度范围 。(写出过程) 【变式2-1】可用焓变和熵变来判断化学反应进行的方向，下列都是能自发进行的化学反应，其中是吸热反应且反应后熵增的是 A． B． C． D． 【变式2-2】下列说法错误的是 A．水汽化的过程中，、 B．绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行 C．恒温恒压下，且的反应一定不能自发进行 D．低温有利于合成氨反应的自发进行 【变式2-3】某一化学反应　，一定条件下反应过程中的能量变化如图所示。 请回答下列问题： （1）Q 0(填“>”“<”或“=”)。 （2）熵变 0(填“>”“<”或“=”)。 （3）该反应 自发进行；若改为其他不变，该反应 自发进行。(填“能”、“不能”或“可能”)。 （4）反应物键能之和数值 生成物键能之和(填“>”“<”或“=”) （5）该反应 氧化还原反应(填“是”“不是”或“可能是”) ▉题型3 工业合成氨 【例4】氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意如下。 下列说法不正确的是 A．原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，平衡转化率高 C．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗 【变式3-1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成的氨不纯 B．实际生产中，将氨气液化分离后的原料气循环使用，可提高经济效益 C．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃，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，无须考虑设备、条件 【变式3-2】已知 ，工业上采用铁触媒作该反应的催化剂。下列说法错误的是 A．1 mol与3 mol混合后充分反应放出的热量小于92.4 kJ B．铁触媒能改变合成氨的反应历程，也能改变反应的焓变 C．工业上选择温度为400~500 ℃，是因为该温度下铁触媒的活性最大 D．铁触媒能加快合成氨的反应速率，是因为单位体积内活化分子数目增多 【变式3-2】下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④ 【变式3-3】合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。回答下列问题： （1）工业合成氨的反应为。在容积为2L的密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，若在一定条件下tmin后反应达到平衡，平衡后容器中剩余cmolN2. ①该反应的平衡常数表达式 。 ②达到平衡时，H2的转化率为 。 ③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为 。 ④若把容器的容积缩小一半，则正反应速率 (填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，N2的转化率 。 （2）在合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为：。铜氨液吸收CO适宜的生产条件是 。 （3）合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 (填序号)。 a．增大化学反应速率b．提高平衡混合物中氨的含量 c．降低氨的沸点d．提高氮气和氢气的利用率 （4）合成氨气的氢气可由天然气制备。 ①其反应为　，该反应自发的条件是 (填“低温自发”、“高温自发”或“任意温度自发”)。 ②为提高CH4的平衡转化率，可采用的措施是 (填序号)。 a．使用合适的催化剂b．采用较高的温度 c．采用较高的压强d．延长反应时间 ▉题型4 工业生产中反应条件的分析 【例5】工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确的是 温度/℃ 不同压强下接触室中的平衡转化率/ 450 99.2 99.7 550 94.9 97.7 工艺流程 A．循环利用的物质是 B．为放热反应 C．吸收塔中表现强氧化性 D．实际生产中，接触室中应采用温度，压强 【变式4-1】某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)  △H<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。 下列说法不正确的是 A．适当加压有助于脱氮率的提高 B．两种催化剂均能降低反应的活化能，但均不变 C．曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450℃左右 D．a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率 【变式4-2】环戊烯(C5H8)是一种重要的有机化工原料，可用环戊二烯(C5H6)制备。T℃时，将环戊二烯和HI按物质的量之比1：2充入容积为2L的恒容密闭容器中，仅发生反应：，下列有关该反应的说法正确的是 已知： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： 反应Ⅲ： A．该反应在高温下可自发进行 B．升高温度，有利于提高环戊烯的平衡产率 C．反应达到平衡时，环戊二烯和碘化氢的转化率相等 D．降低温度，正反应速率改变程度大于逆反应速率改变程度 【变式4-3】CO常用于工业冶炼金属，如图是在不同温度下CO还原四种金属氧化物达平衡后气体中lg[c(CO)/c(CO2)]与温度(T)的关系曲线图。下列说法正确的是    A．工业上可以通过增高反应装置来延长矿石和CO接触的时间，减少尾气中CO的含量 B．CO适用于高温冶炼金属铬(Cr) C．工业冶炼金属铜(Cu)时较低的温度有利于提高CO的利用率 D．CO还原PbO2的反应ΔH>0 ▉题型5 结合工业生产的化学平衡综合题 【例6】“碳中和”是通过植树造林和其他人工技术(或工程)对排放的碳加以捕集利用，从而使排放到大气中的净增量为零。 Ⅰ．一定温度下，向某恒容密闭容器中加入足量铁粉并充入一定量的气体。 已知：　，反应过程中气体和CO气体的浓度与时间的关系如图所示。 请回答下列问题： (1)时， (填“>”“<”或“=”)。 (2)时，的转化率为 ；CO的平均反应速率 ；该温度下的化学平衡常数 。 (3)下列能说明上述反应达到平衡状态的是 (填序号)。 a．单位时间内消耗，同时生成 b．气体的压强不再变化 c．混合气体的平均相对分子质量不再变化 d．混合气体的密度不再变化 II．由与制备甲醇是当今研究的热点之一，历程如下： 制备过程发生如下副反应： 反应①：　 反应②：　。 (4)写出与制备的热化学方程式 。 (5)恒压下，将和按物质的量之比为充入密闭容器， 甲醇平衡产率在无分子筛膜和有分子筛膜(能选择性分离出)时随温度的变化如图所示。 ①相同温度下，P点甲醇产率高于T点的原因 。 ②对比曲线Ⅰ和II，分析曲线II中甲醇平衡产率随温度升高在P点之前增大而P点以后减小的原因 。 【变式5-1】通常在乙苯蒸汽中掺混水蒸气，控制温度600℃，并保持总压为常压。不同温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)如图： （1）掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实 。 （2）控制反应温度为600℃的理由是 。 （3）某机构用代替水蒸气开发了乙苯-二氧化碳催化脱氢制苯乙烯。保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸气工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度；该工艺中还能够发生反应：CO2＋H2=CO＋H2O，CO2＋C=2CO。新工艺的特点有 ①CO2与H2反应，使乙苯脱氢反应的化学平衡右移 ②不用高温水蒸气，可降低能量消耗 ③有利于减少积炭 ④有利用CO2资源利用 【变式5-2】CO2催化加氢制甲醇(CH3OH)是实现碳达峰、碳中和的途径之一，其反应可表示为。 （1）该反应分两步进行，反应过程能量变化如图所示，所有物质均为气态。 总反应 。第①步反应的热化学方程式为 。 （2）一定条件下，向体积为1L的恒容密闭容器中通入2molCO2和6molH2发生反应生成甲醇，每次反应10分钟，测得CO2转化率随温度变化关系如图所示。 ①CO2催化加氢制甲醇的平衡常数表达式K= 。 ②已知A点为平衡状态。260℃时从反应开始到恰好平衡CO2的平均反应速率v(CO2)= 。该温度下的平衡常数 。 ③260℃时，某时刻反应混合物中CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、1mol/L、1mol/L，此时反应进行的方向为 (填“正反应方向”“逆反应方向”或“平衡状态”)。 （3）210℃~240℃时，CO2的转化率逐渐增大的原因是 。 【变式5-3】研究含碳、氮、硫的化合物对能源、环保及材料发展等方面有着重要意义。 （1）已知下列热化学方程式： i.CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)=CH2ClCHClCH3(g) △H1=-132kJ•mol-1 ii.CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)=CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g) △H2=-100kJ•mol-1 又已知在相同条件下，反应CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g)=CH2ClCHClCH3(g)的正反应的活化能Ea(正)为akJ•mol-1，则其逆反应的活化能Eb(逆)为 kJ•mol-1(用含a的代数式表示)。 （2）将含有大量CO2的空气吹入K2CO3溶液中，再把CO2从溶液中提取出来，并使之与H2在催化剂作用下生成可再生能源甲醇，相关反应如下： 反应I：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-49.2kJ•mol-1 反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=+41.2kJ•mol-1 ①现使用一种催化剂(CZZA/rGO)，按n(CO2)：n(H2)=1：3(总量为amol)投料于恒容密闭容器中进行反应，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率为转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图1(忽略温度对催化剂的影响)。在513K达平衡时，反应体系内甲醇的物质的量为 mol(列出计算式)；随着温度的升高，CO2的平衡转化率增加，但甲醇的选择率降低，请分析其原因： 。 ②将1.0molCO和3.0molH2充入2L恒容密闭容器中，使其仅按反应Ⅰ进行，在不同催化剂作用下，相同时间内CO2的转化率随温度变化如图2所示。下列说法错误的是 (填字母)。 A．根据图中曲线分析，催化剂Ⅰ的催化效果最好 B．b点v正可能等于v逆 C．a点转化率比c点高，可能的原因是该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，转化率降低 D．CO2与H2浓度比保持1：3不再变化，说明该反应已达平衡状态 ③若将密闭容器恒定为1L，温度为180℃，起始时充入2.0molCO2和2.0molH2，使其仅按反应Ⅱ进行。已知：反应速率v=v正-v逆=k正·c(CO2)·c(H2)-k逆·c(CO)·c(H2O)，CO2平衡转化率为60%。该温度下，k正与k逆的比值为 (保留两位有效数字)。 （3）NO2与SO2能发生反应：NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g) △H＜0。在固定容积的密闭容器中使用某种催化剂，改变原料气配比进行多次实验(各次实验的温度可能相同，也可能不同)，测定NO2的平衡转化率，部分实验结果如图所示。 ①如果要将图中点的平衡状态改变为B点的平衡状态，应采取的措施是 。 ②若点对应实验中SO2(g)的起始浓度为c0mol•L-1，经过tmin达到平衡状态，该时段的化学反应速率v(NO2)= mol•L-1•min-1。 ③图中C、D两点对应的温度分别为TC℃和TD℃，通过计算判断TC TD(填“＞”“=”或“＜”)。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！19 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题04 化学反应的方向和工业合成氨 题型1 自发过程和自发反应 题型2 化学反应方向的判定 题型3 工业合成氨 题型4 工业生产中反应条件的分析 题型5 结合工业生产的化学平衡综合题 ▉题型1 自发过程和自发反应 【例1】下列各说法中，正确的是 A．能够自发进行的反应不一定都是放热反应 B．能够自发进行的反应就一定能够发生并完成 C．同一物质：固体→液体→气体变化是焓减和熵增的过程 D．-10℃的水结成冰，可用熵变判据来解释该变化过程的自发性 【答案】A 【解析】A．反应放热有利于反应的自发进行，但焓变不是唯一的判据。能够自发进行的反应不一定都是放热反应，有些吸热反应也能自发进行，A正确；B．有些自发进行的反应需要在一定的温度下才能发生，比如碳酸钙的分解常温很难自发进行，但加热到一定温度碳酸钙分解为二氧化碳和氧化钙，B错误；C．同一物质：由固体→液体→气体变化体系混乱程度增加，是熵增的过程，C错误 ；D．水结成冰是熵减小的过程，依据熵判据应该是非自发的，D错误；故答案为：A。 【变式1-1】下列反应属于非自发反应的是 A．钠与水反应 B．氢气在氧气中燃烧生成水 C．水分解变成氢气和氧气 D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵 【答案】C 【解析】A．钠与水在常温下能够发生反应，A错误；B．虽然需要点燃或加热，但反应一旦发生，就能自发地进行下去，B错误；C．水分解变成氢气和氧气需要持续不断的通电，所以水分解变成氢气和氧气是非自发的反应，C正确；D．氨气与氯化氢相遇变成氯化铵，在常温条件下能够发生，D错误；故选C。 【变式1-2】化学与生活息息相关。下列不属于自发进行的变化是 A．墨汁加到清水中使整杯水变黑 B．水在0℃以下结为冰 C．石灰石转化为生石灰 D．铁器在潮湿的空气中生锈 【答案】C 【解析】A．墨汁浓度大于水，微粒向浓度低的方向分散是自发进行的物理变化，A不符合题意；B．水的凝固点为0℃，水在常温下是液体，冰在室温下融化成水，是自发进行的物理变化，B不符合题意；C．石灰石转化为生石灰需要在高温条件下进行，该变化过程在常温下不是自发进行的，C符合题意；D．铁在潮湿的空气中生锈是发生了电化腐蚀，发生了吸氧腐蚀，是自发进行的变化，D不符合题意。故选C。 ▉题型2 化学反应方向的判定 【例2】下列关于焓判据和熵判据的说法中，不正确的是 A．放热的自发过程可能是熵减小的过程，吸热的自发过程一定为熵增加的过程 B．放热过程或熵增加的过程一定是自发的 C．碳酸钙分解反应在室温下不能自发进行，但在较高温度下可能自发进行 D．　　在常温常压下能自发进行 【答案】B 【解析】A．反应自发进行的判断依据是ΔH-TΔS＜0，放热的自发过程中ΔH＜0，ΔS可能小于0也可能大于0，所以放热的自发过程可能是熵减小的过程；吸热的自发过程中ΔH＞0、ΔH-TΔS＜0，则ΔS必须＞0，所以吸热的自发过程一定为熵增加的过程，A正确；B．当ΔG=ΔH-TΔS＜0时反应自发，仅ΔH＜0或ΔS＞0无法确保ΔG＜0，即不一定自发，B错误；C．碳酸钙分解的方程式为CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)，其中ΔH＞0，ΔS＞0，高温时才能满足反应自发进行的条件ΔH-TΔS＜0，所以碳酸钙的分解在室温下不能自发进行，但在较高温度(1200K)下能自发进行，C正确；D．常温下T=298K，则-444.3kJ•mol-1-298K×(-280.110-3kJ•mol-1•K-1)=-360.8302kJ/mol＜0，即ΔH-TΔS＜0，所以该反应在常温常压能自发进行，D正确；故选B。 【例3】化学反应方向的综合判据是判断反应能否白专进行的关键。由于反应的焓变、熵变随温度的变化较小，假设它们不随温度变化，根据下表数据。 化学反应 AH/kJ·mol—1 ① -98 57.2 ② 393.5 -2.86 ③ -176 -285 （1）根据表中数据可知：反应①在 下(填“高温”、“低温”、“任何温度)正向能自发进行。 （2）有人提出采用适当的催化剂，用热分解法分解CO2，以减少CO2的排放，你认为是否可行？ (填“是”或“否”)。阐述判断的理由 。 （3）利用综合判据，计算反应③能正向自发进行的温度范围 。(写出过程) 【答案】（1）任何温度 （2）否 该反应为吸热、墒减的化学反应，在任何温度下都不能正向自发进行 （3），则，解得，即低于时反应③能正向自发进行 【解析】（1）由表中数据可知，反应①的H0，S0，在任何温度下都有H-TS0，所以反应①在任何温度下，都能正向自发进行，故答案为:任何温度都能； （2）由表中数据可知，反应②的H0，S0，在任何温度下都有H-TS0，所以在任何温度下都不能正向自发进行，故答案为:不可行，该反应为吸热、熵减的化学反应，在任何温度下都不能正向自发进行； （3）反应③的H=-176kJmol-1，S=285Jmol-1，H-TS0，则-176+0.285T<0，T617.5K 344.5，即低于344.5时反应③能正向自发进行，故答案为:低于344.5时反应③能正向自发进行。 【变式2-1】可用焓变和熵变来判断化学反应进行的方向，下列都是能自发进行的化学反应，其中是吸热反应且反应后熵增的是 A． B． C． D． 【答案】C 【解析】A．为放热反应，A不符合题意；B．为放热反应，B不符合题意；C．为吸热反应，反应后熵增加，C符合题意；D．为放热反应，D不符合题意；故选C。 【变式2-2】下列说法错误的是 A．水汽化的过程中，、 B．绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行 C．恒温恒压下，且的反应一定不能自发进行 D．低温有利于合成氨反应的自发进行 【答案】C 【解析】A．水汽化的过程是一个气体体积增大的吸热过程，即、，A正确；B．反应倾向于向熵增方向进行，故绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行，B正确；C．根据自由能变判据可知，恒温恒压下，且的反应一定能自发进行，C错误；D．已知合成氨反应是一个气体体积减小的放热反应，根据自由能变判据可知，低温有利于合成氨反应的自发进行，D正确；故答案为：C。 【变式2-3】某一化学反应　，一定条件下反应过程中的能量变化如图所示。 请回答下列问题： （1）Q 0(填“>”“<”或“=”)。 （2）熵变 0(填“>”“<”或“=”)。 （3）该反应 自发进行；若改为其他不变，该反应 自发进行。(填“能”、“不能”或“可能”)。 （4）反应物键能之和数值 生成物键能之和(填“>”“<”或“=”) （5）该反应 氧化还原反应(填“是”“不是”或“可能是”) 【答案】（1）< （2）> （3）能 可能 （4）< （5）可能是 【分析】通过比较反应物总能量和生成物总能量的大小可以看出反应是吸热反应还是放热反应，图中反应物的总能量大于生成物的总能量，该反应是放热反应，，E1代表反应物断键吸收的总能量，E2代表形成生成物时成键释放的总能量。 【解析】（1）根据反应过程的能量变化可以看出反应物的总能量大于生成物的总能量，该反应是放热反应，，所以Q<0. （2）根据方程式可以看出反应后气体总分子数大于反应前气体总分子数，是熵增加的反应，所以熵变大于0。 （3）由于该反应，，所以，反应能自发进行；若改为其他不变，，当温度低时可以使，所以该反应可能自发进行。 （4）由图可知，E1代表反应物断键吸收的总能量，E2代表形成生成物时成键释放的总能量，所以反应物键能之和数值小于生成物键能之和。 （5）该反应没有给出具体元素种类，无法进行明确判断，可能是氧化还原反应。▉题型3 工业合成氨 【例4】氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意如下。 下列说法不正确的是 A．原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，平衡转化率高 C．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗 【答案】B 【分析】氮气和氢气混合气体净化干燥后经过压缩机加压，进入热交换加热后在催化剂作用下发生反应生成氨气，再经过热交换后冷却分离出液态氨，未反应完的氮气和氢气可循环利用。 【解析】A．原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，A正确；B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，反应速率增大，温度升高，该反应的平衡转化率降低，B错误；C．热交换将氨气的热量转给N2和H2，目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离，C正确；D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别从400~500℃、10-30MPa降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗，D正确；故选B。 【变式3-1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成的氨不纯 B．实际生产中，将氨气液化分离后的原料气循环使用，可提高经济效益 C．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃，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，无须考虑设备、条件 【答案】B 【解析】A．原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成氨的催化剂“中毒”，A错误；B．实际生产中，将氨气液化分离后提高产率，分离后的原料气循环使用，可提高经济效益，B正确；C．采用 400°C∼500°C ，可加快反应速率，不利于平衡正向移动，不能增大反应物的平衡转化率，C错误；D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，对设备要求高，D错误； 故选B。 【变式3-2】已知 ，工业上采用铁触媒作该反应的催化剂。下列说法错误的是 A．1 mol与3 mol混合后充分反应放出的热量小于92.4 kJ B．铁触媒能改变合成氨的反应历程，也能改变反应的焓变 C．工业上选择温度为400~500 ℃，是因为该温度下铁触媒的活性最大 D．铁触媒能加快合成氨的反应速率，是因为单位体积内活化分子数目增多 【答案】B 【解析】A．氮气和氢气反应生成氨气的反应为可逆反应，因此1 mol N2与3 mol H2混合后充分反应放出的热量小于92.4 kJ，A正确；B．催化剂降低反应活化能，不能改变反应的焓变，B错误；C．选择400~500 ℃的原因之一是铁触媒在该温度下活性最大，C正确；D．催化剂能降低反应的活化能，增大活化分子百分数，加快反应速率，D正确；故选B。 【变式3-2】下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④ 【答案】C 【解析】工业合成氨的化学方程式为N2+3H22NH3，反应是可逆反应，反应前后气体体积减小，反应是放热反应；依据合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施为：增大压强，平衡向体积减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮气和氢气的循环使用，也可提高原料的转化率，故答案为：C。 【变式3-3】合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。回答下列问题： （1）工业合成氨的反应为。在容积为2L的密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，若在一定条件下tmin后反应达到平衡，平衡后容器中剩余cmolN2. ①该反应的平衡常数表达式 。 ②达到平衡时，H2的转化率为 。 ③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为 。 ④若把容器的容积缩小一半，则正反应速率 (填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，N2的转化率 。 （2）在合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为：。铜氨液吸收CO适宜的生产条件是 。 （3）合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 (填序号)。 a．增大化学反应速率b．提高平衡混合物中氨的含量 c．降低氨的沸点d．提高氮气和氢气的利用率 （4）合成氨气的氢气可由天然气制备。 ①其反应为　，该反应自发的条件是 (填“低温自发”、“高温自发”或“任意温度自发”)。 ②为提高CH4的平衡转化率，可采用的措施是 (填序号)。 a．使用合适的催化剂b．采用较高的温度 c．采用较高的压强d．延长反应时间 【答案】（1） 增大 增大 （2）低温和高压 （3）d （4）高温自发 b 【解析】（1）①该反应的平衡常数表达式；②根据已知条件列出“三段式” 达到平衡时，H2的转化率为；③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为=；④若把容器的容积缩小一半，反应物浓度增大，则正反应速率增大，平衡正向移动，N2的转化率增大。 （2）是气体体积减小的放热反应，则铜氨液吸收CO适宜的生产条件是低温和高压。 （3）合成氨工业中采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率，故选d。 （4）①的、，当时，反应能自发进行，该反应自发的条件是高温自发；②a．催化剂不改变平衡状态，使用合适的催化剂不能提高CH4的平衡转化率，故a不选；b．该反应为吸热反应，采用较高的温度，平衡正向移动，能提高CH4的平衡转化率，故b选；c．该反应是气体体积增大的反应，采用较高的压强，平衡逆向移动，CH4的平衡转化率减小，故c不选；d．延长反应时间，不能提高CH4的平衡转化率，故d不选；故选b。 ▉题型4 工业生产中反应条件的分析 【例5】工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确的是 温度/℃ 不同压强下接触室中的平衡转化率/ 450 99.2 99.7 550 94.9 97.7 工艺流程 A．循环利用的物质是 B．为放热反应 C．吸收塔中表现强氧化性 D．实际生产中，接触室中应采用温度，压强 【答案】B 【解析】A．为可逆反应，未参与反应的二氧化硫可循环利用，A错误； B．由表知，在相同压强下，升高温度，二氧化硫的平衡转化率减小，则为放热反应，B正确； C．吸收塔中是为了吸收三氧化硫，不体现强氧化性，C错误； D．和两状态的平衡转化率相差不大，但压强大，对动力和设备要求高，所以实际生产中，接触室中应采用温度，压强，D错误； 答案选B。 【变式4-1】某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)  △H<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。 下列说法不正确的是 A．适当加压有助于脱氮率的提高 B．两种催化剂均能降低反应的活化能，但均不变 C．曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450℃左右 D．a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率 【答案】D 【解析】A．该反应为气体分子数减小的反应，适当加压，平衡正向移动，脱氮率增大，故A正确，不符合题意； B．催化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的，故B正确，不符合题意； C．由图可知，曲线Ⅱ中450℃左右脱氮率最大，则曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450℃左右，故C正确，不符合题意； D．因为该反应是放热反应，降低温度，平衡正向移动，则a点对应温度下的平衡脱氮率应大于450℃下的脱氮率，故D错误，符合题意； 答案选D。 【变式4-2】环戊烯(C5H8)是一种重要的有机化工原料，可用环戊二烯(C5H6)制备。T℃时，将环戊二烯和HI按物质的量之比1：2充入容积为2L的恒容密闭容器中，仅发生反应：，下列有关该反应的说法正确的是 已知： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： 反应Ⅲ： A．该反应在高温下可自发进行 B．升高温度，有利于提高环戊烯的平衡产率 C．反应达到平衡时，环戊二烯和碘化氢的转化率相等 D．降低温度，正反应速率改变程度大于逆反应速率改变程度 【答案】C 【解析】A．据盖斯定律：Ⅰ-Ⅲ得C5H6(g)+2HI(g)⇌C5H8(g)+I2(g)ΔH=(-100.5+11)kJ•mol-1=-89.54kJ•mol-1，该反应ΔH＜0，ΔS＜0，根据ΔG=ΔH-TΔS，在低温时ΔG＜0，该反应能自发进行，故A错误；B．该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，不利于提高环戊烯的产率，故B错误；C．起始将环戊二烯和HI物质的量之比1：2，根据方程式，转化环戊二烯和HI物质的量之比1：2，则反应达到平衡时，C5H6和HI的转化率相等，故C正确；D．反应为放热反应，降低温度，平衡正向进行，逆反应速率改变程度大于正反应速率改变程度，故D错误；故选：C。 【变式4-3】CO常用于工业冶炼金属，如图是在不同温度下CO还原四种金属氧化物达平衡后气体中lg[c(CO)/c(CO2)]与温度(T)的关系曲线图。下列说法正确的是    A．工业上可以通过增高反应装置来延长矿石和CO接触的时间，减少尾气中CO的含量 B．CO适用于高温冶炼金属铬(Cr) C．工业冶炼金属铜(Cu)时较低的温度有利于提高CO的利用率 D．CO还原PbO2的反应ΔH>0 【答案】C 【解析】A．增高炉的高度，增大CO与矿石的接触，不能影响平衡移动，CO的利用率不变，A错误；B．由图像可知用CO工业冶炼金属铬时，lg[c(CO)/c(CO2)]一直很高，说明CO转化率很低，且高温耗能多，故CO不适合用于冶炼金属铬，B错误；C．由图像可知还原氧化铜或氧化铅时，温度越高，lg[c(CO)/c(CO2)]越高，说明CO转化率越低，平衡逆向移动，则降温平衡正向移动，低温有利于提高CO利用率，C正确；D．由图像可知还原氧化铜或氧化铅时，温度越高，lg[c(CO)/c(CO2)]越高，说明CO转化率越低，平衡逆向移动，则逆反应是吸热反应，CO还原PbO2的反应ΔH＜0，D错误；故选C。 ▉题型5 结合工业生产的化学平衡综合题 【例6】“碳中和”是通过植树造林和其他人工技术(或工程)对排放的碳加以捕集利用，从而使排放到大气中的净增量为零。 Ⅰ．一定温度下，向某恒容密闭容器中加入足量铁粉并充入一定量的气体。 已知：　，反应过程中气体和CO气体的浓度与时间的关系如图所示。 请回答下列问题： (1)时， (填“>”“<”或“=”)。 (2)时，的转化率为 ；CO的平均反应速率 ；该温度下的化学平衡常数 。 (3)下列能说明上述反应达到平衡状态的是 (填序号)。 a．单位时间内消耗，同时生成 b．气体的压强不再变化 c．混合气体的平均相对分子质量不再变化 d．混合气体的密度不再变化 II．由与制备甲醇是当今研究的热点之一，历程如下： 制备过程发生如下副反应： 反应①：　 反应②：　。 (4)写出与制备的热化学方程式 。 (5)恒压下，将和按物质的量之比为充入密闭容器， 甲醇平衡产率在无分子筛膜和有分子筛膜(能选择性分离出)时随温度的变化如图所示。 ①相同温度下，P点甲醇产率高于T点的原因 。 ②对比曲线Ⅰ和II，分析曲线II中甲醇平衡产率随温度升高在P点之前增大而P点以后减小的原因 。 【答案】(1)> (2) 75% 0.15 3 (3)cd (4) (5) 相同温度下，分子筛膜能不断分离出，有利于主反应 平衡正向移动，平衡产率增大， 故P点甲醇产率高于T点； 反应放热，升高温度平衡逆向移动，副反应①②为吸热反应，平衡正移，均可使平衡产率减小。P点之前，以分子筛膜对主反应的影响为主，P点以后，以温度对主反应、副反应的影响为主。 【解析】（1）由图像可知t1时刻CO继续增多，CO2继续减少，反应正向进行，故； （2）时，的转化率为；CO的平均反应速率；该温度下的化学平衡常数； （3）a．单位时间内消耗，同时生成都是描述的正反应，不能说明反应达到平衡状态，a错误； b．反应气体分子数不变，气体的压强始终不变，不能说明反应达到平衡状态，b错误； c．混合气体的平均相对分子质量，反应过程中，气体物质的量没变，但气体质量在改变，则M混在改变，当M混不再变化时，说明反应达到了平衡状态，c正确； d．混合气体的密度,V不变，但气体质量在改变，故混合气体密度也在改变，当不再变化，说明达到了平衡状态，d正确； 故答案选cd。 （4）根据题意写出方程式③，则③=①-②，则方程③的反应热，故与制备的热化学方程式为； （5）相同温度下，分子筛膜能不断分离出，有利于主反应 平衡正向移动，平衡产率增大， 故P点甲醇产率高于T点； 反应放热，升高温度平衡逆向移动，副反应①②为吸热反应，升高温度平衡正移，均可使平衡产率减小。P点之前，以分子筛膜对主反应的影响为主，P点以后，以温度对主反应、副反应的影响为主。 【变式5-1】通常在乙苯蒸汽中掺混水蒸气，控制温度600℃，并保持总压为常压。不同温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)如图： （1）掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实 。 （2）控制反应温度为600℃的理由是 。 （3）某机构用代替水蒸气开发了乙苯-二氧化碳催化脱氢制苯乙烯。保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸气工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度；该工艺中还能够发生反应：CO2＋H2=CO＋H2O，CO2＋C=2CO。新工艺的特点有 ①CO2与H2反应，使乙苯脱氢反应的化学平衡右移 ②不用高温水蒸气，可降低能量消耗 ③有利于减少积炭 ④有利用CO2资源利用 【答案】（1）加入水蒸气导致乙苯的分压降低，平衡向气体分子数大的方向移动，即正方向移动，乙苯的平衡转化率提高 （2）600℃，乙苯的平衡转化率和苯乙烯的选择性均较高，温度过低，乙苯转化率降低，温度过高，苯乙烯选择性下降，高温可能使催化剂失活，耗能大 （3）①②③④ 【解析】（1）该反应为气体分子数增大的反应，加入水蒸气，导致乙苯的分压降低，平衡 (g) (g)+H2(g)正向移动，乙苯的平衡转化率提高； （2）由图得出，600℃，乙苯的平衡转化率和苯乙烯的选择性均较高，温度过低，乙苯转化率降低，反应速率也减慢，温度过高，苯乙烯选择性下降，而且高温可能使催化剂失活，耗能大； （3）①CO2消耗H2，使乙苯脱氢反应的化平衡正向移动，提高产率，①合理； ②保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸气工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度，不用高温水蒸气，可降低能量消耗，②符合； ③该工艺发生反应：CO2＋H2=CO＋H2O，CO2＋C=2CO，将C消耗，有利于减少积炭，③符合； ④CO2能与H2反应，有利用CO2资源利用，④符合； 综上所述，①②③④均合理，故选①②③④。 【变式5-2】CO2催化加氢制甲醇(CH3OH)是实现碳达峰、碳中和的途径之一，其反应可表示为。 （1）该反应分两步进行，反应过程能量变化如图所示，所有物质均为气态。 总反应 。第①步反应的热化学方程式为 。 （2）一定条件下，向体积为1L的恒容密闭容器中通入2molCO2和6molH2发生反应生成甲醇，每次反应10分钟，测得CO2转化率随温度变化关系如图所示。 ①CO2催化加氢制甲醇的平衡常数表达式K= 。 ②已知A点为平衡状态。260℃时从反应开始到恰好平衡CO2的平均反应速率v(CO2)= 。该温度下的平衡常数 。 ③260℃时，某时刻反应混合物中CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、1mol/L、1mol/L，此时反应进行的方向为 (填“正反应方向”“逆反应方向”或“平衡状态”)。 （3）210℃~240℃时，CO2的转化率逐渐增大的原因是 。 【答案】（1）−49 kJ∙mol−1 （2） 75 逆反应方向 （3）CO2还未达到平衡，温度越高，速率越大，随着温度升高CO2的转化率逐渐增大 【解析】（1）根据图中信息，两步相加得到总反应+41 kJ∙mol−1+(−90 kJ∙mol−1)= −49 kJ∙mol−1。第①步反应的热化学方程式为；故答案为：−49 kJ∙mol−1；。 （2）①CO2催化加氢制甲醇的平衡常数表达式；故答案为：。 ②已知A点为平衡状态。260℃时从反应开始到恰好平衡CO2的平均反应速率。，该温度下的平衡常数；故答案为：；75。 ③260℃时，某时刻反应混合物中CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、1mol/L、1mol/L，此时，则反应进行的方向为逆反应方向；故答案为：逆反应方向。 （3）210℃~240℃时，CO2还未达到平衡，温度越高，速率越大，随着温度升高，CO2的转化率逐渐增大；故答案为：CO2还未达到平衡，温度越高，速率越大，随着温度升高，CO2的转化率逐渐增大。 【变式5-3】研究含碳、氮、硫的化合物对能源、环保及材料发展等方面有着重要意义。 （1）已知下列热化学方程式： i.CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)=CH2ClCHClCH3(g) △H1=-132kJ•mol-1 ii.CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)=CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g) △H2=-100kJ•mol-1 又已知在相同条件下，反应CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g)=CH2ClCHClCH3(g)的正反应的活化能Ea(正)为akJ•mol-1，则其逆反应的活化能Eb(逆)为 kJ•mol-1(用含a的代数式表示)。 （2）将含有大量CO2的空气吹入K2CO3溶液中，再把CO2从溶液中提取出来，并使之与H2在催化剂作用下生成可再生能源甲醇，相关反应如下： 反应I：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-49.2kJ•mol-1 反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=+41.2kJ•mol-1 ①现使用一种催化剂(CZZA/rGO)，按n(CO2)：n(H2)=1：3(总量为amol)投料于恒容密闭容器中进行反应，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率为转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图1(忽略温度对催化剂的影响)。在513K达平衡时，反应体系内甲醇的物质的量为 mol(列出计算式)；随着温度的升高，CO2的平衡转化率增加，但甲醇的选择率降低，请分析其原因： 。 ②将1.0molCO和3.0molH2充入2L恒容密闭容器中，使其仅按反应Ⅰ进行，在不同催化剂作用下，相同时间内CO2的转化率随温度变化如图2所示。下列说法错误的是 (填字母)。 A．根据图中曲线分析，催化剂Ⅰ的催化效果最好 B．b点v正可能等于v逆 C．a点转化率比c点高，可能的原因是该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，转化率降低 D．CO2与H2浓度比保持1：3不再变化，说明该反应已达平衡状态 ③若将密闭容器恒定为1L，温度为180℃，起始时充入2.0molCO2和2.0molH2，使其仅按反应Ⅱ进行。已知：反应速率v=v正-v逆=k正·c(CO2)·c(H2)-k逆·c(CO)·c(H2O)，CO2平衡转化率为60%。该温度下，k正与k逆的比值为 (保留两位有效数字)。 （3）NO2与SO2能发生反应：NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g) △H＜0。在固定容积的密闭容器中使用某种催化剂，改变原料气配比进行多次实验(各次实验的温度可能相同，也可能不同)，测定NO2的平衡转化率，部分实验结果如图所示。 ①如果要将图中点的平衡状态改变为B点的平衡状态，应采取的措施是 。 ②若点对应实验中SO2(g)的起始浓度为c0mol•L-1，经过tmin达到平衡状态，该时段的化学反应速率v(NO2)= mol•L-1•min-1。 ③图中C、D两点对应的温度分别为TC℃和TD℃，通过计算判断TC TD(填“＞”“=”或“＜”)。 【答案】（1）a+32 （2）0.25a×78%×15% 升高温度时，反应Ⅱ正向移动的幅度大于反应I逆向移动的幅度 BD 2.3 （3）降低温度 = 【解析】（1）已知热化学方程式： i. ii. 根据盖斯定律可知，由“iii”可得，又(正)(逆)(逆)，解得； （2）①按(总量为)投料于恒容密闭容器中进行反应，则的物质的量为，由图可知，在513K达平衡时，的平衡转化率为15%，甲醇的选择率为78%，则反应体系内甲醇的物质的量为；反应Ⅰ为放热反应，升温则平衡逆向移动，而反应Ⅱ为吸热反应，升温则平衡正向移动，由于反应Ⅱ正向移动的幅度大于反应Ⅰ逆向移动的幅度，所以，随着温度的升高，的平衡转化率增加，但甲醇的选择率降低； ②A．根据图中曲线分析，温度低于时，相同时间内，催化剂Ⅰ作用下的转化率最大，则催化剂Ⅰ的催化效果最好，故A项正确； B．由图可知，a点时反应达到平衡状态，则b点时，反应未达到平衡状态，即大于，故B错误； C．a点转化率比c点高，可能的原因是该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，转化率降低，C项正确； D．与按浓度比充入，又按反应，则与浓度比始终保持，则与浓度比保持不再变化，不能说明该反应已达平衡状态，故D错误； 故答案选BD； ③若将密闭容器恒定为1L，温度为180℃，起始时充入2.0和2.0，使其仅按反应Ⅱ进行，平衡转化率为60%，可列出三段式： 则平衡常数，当反应达平衡时，正、逆反应速率相等，则； （3）①如果要将图中C点的平衡状态改变为B点的平衡状态，且的平衡转化率增大，则平衡正向移动，又因正反应为放热反应，所以，降低温度能使平衡正向移动。 ②A点的平衡转化率为50%，，的起始浓度为，则的起始浓度为，参与反应的二氧化氮浓度为则该时段的化学反应速率 ③，反应为放热反应，C点，设的起始浓度为，，平衡时，二氧化氮的转化率为50%，可列“三段式”： 计算可得平衡常数。 D点时二氧化氮的平衡转化率为40%，，设的起始浓度为，则，列“三段式”： 计算得平衡常数，C、D两点反应的平衡常数相同，说明反应温度相同，故。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！19 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$