内容正文:
2.4化学反应条件的优化——工业合成氨
学校:___________姓名:___________班级:___________考号:___________
一、单选题
1.工业制硫酸的第二步反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH<0,反应达平衡后,改变某一个条件,下列八条曲线(①~⑧)正确的是
A.①⑥⑧ B.①⑤⑦ C.②③⑧ D.②④⑦
2.将质量相同的锌粉分别投入下列4个烧杯的溶液中,反应速率最快的是( )
A. B. C. D.
3.下列事实能用勒·夏特列原理解释的是( )
A.使用催化剂有利于合成氨的反应
B.对、和组成的平衡体系加压后颜色变深
C.对于反应来说,500℃时比室温更有利于合成氨的反应
D.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
4.现有下列四个图象:
下列反应中符合上述全部图象的是()
A.
B.
C.
D.
5.研究化学反应历程有利于调控化学反应速率。已知反应2NO(g)+O2(g)=2NO2(g)的反应进程和能量变化图如下:
i:2NO(g)⇌N2O2(g) △H1 活化能Eal
ii:N2O2(g)+O2(g)⇌2NO2(g) △H2 活化能Ea2
活化能Ea1<Ea2,下列叙述错误的是
A.反应i的△H1<0
B.Ea1较小,则反应i平衡转化率小
C.反应ii是决速步骤
D.分离NO2的瞬间对反应ii的正反应速率没有影响
6.在密闭容器中,充入一定量的N2、H2,在一定条件下反应N2+3H22NH3,已知NH3的体积分数(纵坐标)和温度(横坐标)的变化关系如图所示,下列说法正确的是
A.该反应为吸热反应
B.平衡常数K:A点< B点
C.H2的转化率C点最高
D.A、B、C、D、E五点都达到了平衡状态
7.甲醇既是重要的化工原料,也是性能优良的能源和车用燃料。利用煤气过程中生成的CO和可制备甲醇: ,有关能量的变化如图甲所示。一定温度下,在容积为1L的恒容密闭容器中充入1 mol CO和,测得部分相关物质的浓度随时间的变化如图乙所示。
下列有关说法正确的是
A.该反应的 B.前3 min内
C.氢气的平衡转化率为75% D.该反应的平衡常数
8.下列事实中,不能用勒夏特列原理解释的是
A.开启啤酒瓶后,瓶中立刻泛起大量泡沫
B.在溶液中加入少量铁粉以防止被氧化
C.实验室中常用排饱和食盐水的方法收集
D.使用过量的空气以提高的利用率
二、填空题
9.向试管B中加入1mol•L-1KSCN溶液,为什么溶液的颜色会加深 ?由此得出的实验结论是什么 ?
10.化学平衡常数的定义
对于可逆反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在 一定时,无论起始浓度如何,反应达到平衡后,各物质的物质的量浓度满足以下关系式:K=
该结果是一个常数,此常数称为化学平衡常数。固体、纯液体、水溶液中水的浓度可视为 ,其浓度不列入平衡常数表达式。
11.运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义,请完成下列探究。
(1)生成氢气:将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g) ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1,该反应在低温下 (“能”或“不能”)自发进行。
(2)已知在400 ℃时,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的K=0.5。
①在400 ℃时,2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的K′= (填数值)。
②400 ℃时,在0.5 L的反应容器中进行合成氨反应,一段时间后,测得N2、H2、NH3的物质的量分别为2 mol、1 mol、2 mol,则此时反应v正(N2) (填“>”“<”“=”或“不能确定”)v逆(N2)。
③若在恒温、恒压条件下向平衡体系中通入氩气,则合成氨反应的平衡 (填“向左”“向右”或“不”)移动;使用催化剂 (填“增大”“减小”或“不改变”)反应的ΔH。
12.丙烯广泛用于合成聚丙烯、丙烯醛、丙烯酸等工业领域。回答下列问题:
(1)丙烷无氧脱氢法制备丙烯反应如下:C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) △H1 =+124 k·mol-1
①总压分别为100kPa、10kPa 时发生该反应,平衡体系中C3H8和C3H6的物质的量分数随温度变化关系如图所示。
100 kPa时,C3H8和C3H6的物质的量分数随温度变化关系的曲线分别是 、 。
②某温度下,在刚性容器中充入C3H8,起始压强为10 kPa,平衡时总压为13.3 kPa,该反应的平衡常数Kp= kPa (用分压代替平衡浓度,分压=总压×物质的量分数。保留1位小数)。
(2)丙烷氧化脱氢法制备丙烯主要反应如下:C3H8 (g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g) △H2<0,在催化剂作用下,C3H8氧化脱氢除生成C3H6外,还生成CO、CO2等物质。C3H8的转化率和C3H6的产率随温度变化关系如图所示。
①中C3H8的转化率随温度升高而上升的原因可能是 。
②575℃时,C3H6的选择性为 。(C3H6的选择性= 100%)
③基于本研究结果,能提高C3H6选择性的措施是 。
三、计算题
13.Bodensteins研究了反应: ,在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数与反应时间t的关系如表所示:
0
20
40
60
80
120
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
0
0.6
0.73
0.773
0.78
0.784
(1)根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为 。
(2)上述反应中,正反应速率,逆反应速率,其中、为正、逆反应速率常数,则为 (用含K和的代数式表示)。若起始时,,,则在时, 。
四、解答题
14.近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究,实现可持续发展。
(1)已知:CO2(g)+H2(g) ⇌H2O(g) +CO(g) ΔH1 = + 41.1 kJ•mol-1
CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g) ΔH2=-90.0 kJ•mol-1
写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式: 。
(2)为提高CH3OH产率,理论上应采用的条件是 (填字母)。
a.高温高压 b.低温低压 c.高温低压 d.低温高压
(3)250℃、在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g),下图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。
反应物X是 (填“CO2”或“H2”)。
(4)250℃、在体积为2.0L的恒容密闭容器中加入6mol H2、2mol CO2和催化剂,10min时反应达到平衡,测得c(CH3OH) = 0.75 mol· L-1。
①化学平衡常数K = 。
②催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性有高度相关。控制相同投料比和相同反应时间,四组实验数据如下:
实验编号
温度(K)
催化剂
CO2转化率(%)
甲醇选择性(%)
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
根据上表所给数据,用CO2生产甲醇的最优选项为 (填字母)。
15.乙酸乙酯一般通过乙酸和乙醇酯化合成:
已知纯物质和相关恒沸混合物的常压沸点如表:
纯物质
沸点/℃
恒沸混合物(质量分数)
沸点/℃
乙醇
78.3
乙酸乙酯(0.92)+水(0.08)
70.4
乙酸
117.9
乙酸乙酯(0.69)+乙醇(0.31)
71.8
乙酸乙酯
77.1
乙酸乙酯(0.83)+乙醇(0.08)+水(0.09)
70.2
请完成:
(1)关于该反应,下列说法不合理的是 。
A.反应体系中硫酸有催化作用
B.因为化学方程式前后物质的化学计量数之和相等,所以反应的等于零
C.因为反应的接近于零,所以温度变化对平衡转化率的影响大
D.因为反应前后都是液态物质,所以压强变化对化学平衡的影响可忽略不计
(2)一定温度下该反应的平衡常数。若按化学方程式中乙酸和乙醇的化学计量数比例投料,则乙酸乙酯的平衡产率y= ;若乙酸和乙醇的物质的量之比为n:1,相应平衡体系中乙酸乙酯的物质的量分数为x,请在图中绘制x随n变化的示意图 (计算时不计副反应)。
(3)工业上多采用乙酸过量的方法,将合成塔中乙酸、乙醇和硫酸混合液加热至110℃左右发生酯化反应并回流,直到塔顶温度达到70~71℃,开始从塔顶出料。控制乙酸过量的作用有 。
(4)近年,科学家研究了乙醇催化合成乙酸乙酯的新方法:。在常压下反应,冷凝收集,测得常温下液态收集物中主要产物的质量分数如图所示。关于该方法,下列推测合理的是 。
A.反应温度不宜超过300℃
B.增大体系压强,有利于提高乙醇平衡转化率
C.在催化剂作用下,乙醛是反应历程中的中间产物
D.提高催化剂的活性和选择性,减少乙醚、乙烯等副产物是工艺的关键
16.下面的装置是仿照工业上制备硫酸的工艺流程设计出来的,用于探究工业上为何采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。
请回答下列问题:
(1)装置甲的作用是 。
(2)写出在催化剂表面所发生反应的化学方程式: ,X中所含的气体有 。
(3)在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右,你是如何控制和估计的? 。
(4)若丁装置在反应过程中先出现气泡,不久就出现了雾,而丙装置一直都没有任何现象,产生这种现象的原因可能是 (填字母)。
A.浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远好于水,三氧化硫被浓硫酸充分吸收
B.三氧化硫的通气速率太快,三氧化硫未被浓硫酸充分吸收
C.丙中的导气管插得太深,导致三氧化硫未通入丙中
《2.4化学反应条件的优化——工业合成氨》参考答案
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
答案
B
D
D
B
B
C
D
B
1.B
【详解】由于该反应是气体体积减小且放热的反应,所以当温度升高时,平衡逆向移动,平衡常数减小,①正确、②错误;
使用催化剂对平衡移动没有影响,所以反应物转化率不变,③、④均错误;
平衡常数只受温度的影响,所以增加氧气的物质的量,平衡常数不变,⑤正确、⑥错误;
压强增大,平衡向正反应方向移动,所以三氧化硫的物质的量浓度增大,⑦正确、⑧错误;
所以图中①⑤⑦三条曲线是正确的,故选B。
2.D
【详解】当反应中一种反应物相同时,反应速率的快慢取决于另一种反应物的浓度而不是用量,四个装置中所用的酸虽不同,但都是由c(H+)的大小决定反应的快慢。答案选D。
3.D
【详解】A.使用催化剂不能使化学平衡移动,A项错误;
B.体系颜色加深是因为I2的浓度增大,而加压平衡并未移动,B项错误;
C.由于合成氨的正反应是放热反应,从平衡移动角度来分析,低温比高温更有利于氨的合成,而采用500℃是考虑到反应速率和催化剂的活性问题,C项错误;
D.将混合气体中的氨液化相当于减小生成物浓度,平衡向正反应方向移动,有利于氨的合成,D项正确;
综上所述答案为D。
4.B
【详解】图a,温度不变的情况下增大压强,生成物的浓度减小,说明平衡逆移,则正反应为气体分子数增大的反应;压强不变的情况下,升高温度,生成物浓度增大,说明平衡正移,则正反应为吸热反应;
图b,升高温度生成物浓度变大,说明正反应为吸热反应;
图c,温度不变的情况下增大压强,平均相对分子质量增大,说明增大压强平衡往气体分子数减小的方向进行;压强不变的情况下,升高温度,平均相对分子质量减小,说明平衡向气体分数数目增大的方向进行,且此方向为吸热反应;
图d,增大压强,平衡向逆方向进行。综上所述反应符合条件。故答案选:B。
5.B
【详解】A. 由图可知,反应ⅰ的反应物总能量大于生成物总能量,则反应ⅰ为放热反应,反应i的△H1<0,故A正确;
B. Ea1较小,说明反应ⅰ速率快,但不能说明反应ⅰ平衡转化率小,故B错误;
C. 由图可知反应ⅱ的活化能大于反应ⅰ,则反应ⅱ是决速步骤,故C正确;
D. 分离NO2的瞬间,此时反应ⅱ的反应物的浓度不变,即反应ⅱ的正反应速率不变,故D正确;
故选:B。
6.C
【详解】A.根据图象分析可知,C点处于平衡状态,随着温度升高,NH3的体积分数减小,平衡逆向移动,该反应为放热反应,A错误;
B.平衡常数K只与温度有关,该反应是放热反应,A点温度小于B点温度,故平衡常数K:A点> B点,B错误;
C.根据图象分析可知,C点NH3的体积分数最大,氢气的转化率最高,C正确;
D.根据图象分析可知,AC段尚未为达到平衡状态,至C点达到平衡,CE段处于平衡状态,主要受温度影响,D错误;
故选C。
7.D
【详解】A.由图甲可知,A项错误;
B.由图乙可知前3 min内消耗的,则,B项错误;
C.根据“三段式”法计算:
故氢气的平衡转化率为,C项错误;
D.平衡常数,D项正确;
故选:D。
8.B
【详解】A.汽水瓶中存在平衡H2CO3⇌H2O+CO2,打开汽水瓶时,压强降低,平衡向生成二氧化碳方向移动,所以瓶中泛起大量泡沫,可以用勒夏特列原理解释,故不选A;
B.在溶液中加入少量铁粉以防止被氧化,主要发生反应,不能用勒夏特列原理解释,故选B;
C.氯气溶于水的反应是一个可逆反应,Cl2+H2O⇌HClO+H++Cl-,由于饱和食盐水中含有大量的氯离子,相当于氯气溶于水的反应中增加了氯离子,平衡向逆反应方向移动,氯气溶解量减小,可以用勒夏特列原理解释,故不选C;
D.增大氧气的浓度,平衡正向移动,使用过量的空气以提高的利用率,可以用勒夏特列原理解释,故不选D;
选B。
9. 增大c(SCN-)后,从而使Fe3++3SCN-Fe(SCN)3的平衡向正反应方向移动,c[Fe(SCN)3]增大,溶液的颜色加深 其他条件不变,增大反应物的浓度,平衡向正反应方向移动
【详解】对于铁离子与硫氰根离子反应的平衡:Fe3++3SCN-Fe(SCN)3来说,增大c(SCN-)后,从而使Fe3++3SCN-Fe(SCN)3的平衡向正反应方向移动,c[Fe(SCN)3]增大,溶液的颜色加深;所以可得到结论为:其他条件不变,增大反应物的浓度,平衡向正反应方向移动。
10. 温度 定值
【详解】对于可逆反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在温度一定时,无论起始浓度如何,反应达到平衡后,各物质的物质的量浓度满足以下关系式:K=;。
固体、纯液体、水溶液中水的浓度可视为定值,其浓度不列入平衡常数表达式。
11. 不能 2 = 向左 不改变
【详解】(1)该反应ΔH>0,ΔS>0,故若使ΔH-TΔS<0须在高温下实现。
(2)①根据平衡常数的表达式可知,逆反应的平衡常数是正反应的平衡常数的倒数,所以K′===2;②400℃时,在0.5 L的反应容器中进行合成氨反应,一段时间后,测得N2、H2、NH3的物质的量分别为2 mol、1 mol、2 mol,即此时N2、H2、NH3的浓度分别为4mol/L、2mol/L、4mol/L,则Qc==0.5=K,故此时反应达到平衡状态,v正(N2)=v逆(N2);③恒温、恒压条件下通入Ar相当于扩大体积减小压强,平衡逆向移动;因为ΔH=产物的焓-反应物的焓,而催化剂能改变的仅有活化能,不能改变反应物和产物的焓,所以催化剂不改变反应的ΔH。
12.(1) a d 1.6
(2) 温度升高,催化剂的活性增大 51.5% 选择相对较低的温度
【详解】(1)①C3H8(g) ⇌ C3H6(g)+H2(g)△H1=+124 kJ·mol-1,正反应吸热,升高温度,平衡正向移动,C3H8(g)的物质的量分数减小,C3H6(g)的物质的量分数增大;根据方程式,该反应为气体体积增大的反应,增大压强,C3H8的物质的量分数大于10kPa 时C3H8的物质的量分数,因此表示100kPa时,C3H8的物质的量分数随温度变化关系的曲线是a;增大压强,平衡逆向移动,C3H6的物质的量分数减小,表示100kPa时,C3H6的物质的量分数随温度变化关系的曲线是d,故答案为:a;d;
②同温同体积条件下,气体的压强之比=气体物质的量之比,设C3H8的平衡转化率为x,
则10(1-x)+10x+10x=13.3,解得:x=0.33,Kp==1.6kPa,故答案为: 1.6;
(2)①该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,C3H8的转化率应该降低,但实际上C3H8的转化率随温度升高而上升,可能是升高温度,催化剂的活性增大导致的,故答案为:温度升高,催化剂的活性增大;
②根据图象,575℃时,C3H8的转化率为33%,C3H6的产率为17%,假设参加反应的C3H8为100mol,生成的C3H6为17mol,C3H6的选择性=×100%=51.5%,故答案为:51.5%;
③根据图象,535℃时,C3H6的选择性=×100%=66.7%,550℃时,C3H6的选择性=×100%=61.5%,575℃时,C3H6的选择性=×100%=51.5%,选择相对较低的温度能够提高C3H6选择性,故答案为:选择相对较低的温度。
13.
【详解】(1)由表中数据可知,无论是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,最终均为0.784,说明此时达到了平衡状态。设HI的初始浓度为,则:
;
(2)建立平衡时,,即,。由于该反应前后气体分子数不变,故,则;
在40 min时,,则。
14. 3H2 (g)+CO2 (g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-48.9 kJ/mol d CO2 5.33 B
【分析】(1)根据已知热化学方程式,利用盖斯定律进行分析,将①+②可得CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式,并据此计算焓变;
(2)有利于提高CH3OH平衡转化率,需要使平衡向着正向移动,结合平衡移动原理分析;
(3)根据同一反应,增加其中一种反应物的浓度,能提高另一种反应物的转化率,结合图示横坐标表示[n(H2)/n(CO2)],进行分析解答;
(4)①利用三段式计算平衡时各组分的物质的量浓度,再根据化学平衡常数为生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比,计算平衡常数;
②分别对比AB、CD实验,Cu/ZnO纳米片催化剂使反应速率增加,甲醇选择性高,对比BD实验,温度升高,CO2转化率升高,而甲醇的选择性却降低,据此分析。
【详解】(1)已知:①CO2(g)+H2(g) ⇌H2O(g) +CO(g) ΔH1 = + 41.1 kJ•mol-1;
②CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g) ΔH2=-90.0 kJ•mol-1;
利用盖斯定律可知,将①+②可得:CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)则△H=(+41.1kJ/mol)+(−90kJ/mol)=−48.9kJ/mol;
故答案为:CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H=−48.9kJ/mol;
(2)CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H=−48.9kJ/mol;该反应是反应前后气体体积减小的反应,加压平衡正向移动,正反应为放热反应,降温平衡正向移动,则为提高CH3OH平衡转化率,即平衡需正向移动,采用的条件为低温高压;
故答案为:d;
(3)同一反应,增加其中一种反应物的浓度,能提高另一种反应物的转化率,而本身转化率降低,图示随着横坐标增大[n(H2)/n(CO2)],相当于C(CO2)不变时,增大C(H2),平衡正向移动,使二氧化碳的转化率增大,而氢气的转化率降低,所以X为CO2;
故答案为:CO2;
(4)①根据已知信息,可列出三段式:
化学平衡常数;
故答案为:5.33;
②分别对比AB、CD实验,在同样温度下,Cu/ZnO纳米片催化剂使反应速率增加,甲醇选择性高,所以选择BD进行比较,同样催化剂条件下,温度升高,CO2转化率升高,而甲醇的选择性却降低,所以用CO2生产甲醇的最优选项为B;
故答案为:B。
15. BC 0.67(或66.7%) 提高乙醇转化率;提高反应温度,从而加快反应速率;有利于后续产物的分离 ACD
【分析】(1)根据化学反应进行的方向进行分析。
(2)利用“三段式”法进行求解计算乙酸乙酯的平衡产率,根据乙酸与乙醇按照化学计量数之比投料时,乙酸乙酯的物质的量分数达到最大值,所以时,乙酸乙酯的物质的量分数最大,且最大值为来画出图像。
(3)控制乙酸过量利用平衡移动原理分析。
(4)根据题图中信息进行分析。
【详解】(1)A.根据反应的化学方程式可知,反应体系中硫酸做催化剂,故A合理;B.该反应的不等于零,故B不合理;C.因为反应的ΔH接近于零,所以温度变化对平衡转化率的影响小,故C不合理;D.因为反应前后都是液态物质,所以压强变化对化学平衡的影响可忽略不计,故D合理;综上所述,答案为BC。
(2)设起始时乙酸和乙醇的物质的量均为,达到平衡时生成乙酸乙酯,利用“三段式”法进行求解:,,解得,所以乙酸乙酯的平衡产率为66.7%;乙酸与乙醇按照化学计量数之比投料时,乙酸乙酯的物质的量分数达到最大值,所以时,乙酸乙酯的物质的量分数最大,且最大值为,据此画出图像为 ;故答案为:0.67(或66.7%); 。
(3)控制乙酸过量的作用有提高乙醇转化率;提高反应温度,从而加快反应速率;有利于后续产物的分离;故答案为:提高乙醇转化率;提高反应温度,从而加快反应速率;有利于后续产物的分离。
(4)A.根据题图可知,反应温度不宜超过300℃,故A合理;B.增大体系压强,平衡逆向移动,故不利于提高乙醇的平衡转化率,故B不合理;C.由题图可知,在275℃之后,乙醛的质量分数逐渐减小,乙酸乙酯的质量分数逐渐增大,所以乙醛是反应历程中的中间产物,故C合理;D.有机反应中副反应较多,提高催化剂的活性和选择性,减少乙醚、乙烯等副产物是工艺的关键,故D合理;综上所述,答案为ACD。
【点睛】化学平衡与有机结合的试题比较新,主要考查化学平衡与有机相结合,分析图中信息进行判断,由于有机反应中副反应较多,提高催化剂的活性和选择性。
16.(1)一是通过观察气泡产生的速率调节通入二氧化硫、氧气的比例;二是使两种原料气体充分混合
(2) 2SO2+O22SO3 SO2、O2、SO3
(3)通过调节气阀控制气体流量;通过观察甲装置中气泡产生的速率进行估算
(4)AC
【分析】将氧气和二氧化硫通过浓硫酸干燥并混合,通入装有氧化铬作催化剂并加热条件下反应,产物通过浓硫酸吸收,再利用水吸收尾气,注意利用的装置采用防倒吸装置;
【详解】(1)装置甲的作用:一是通过观察气泡产生的速率调节通入二氧化硫、氧气的比例;二是使两种原料气体充分混合;
(2)在催化剂表面所发生反应生成三氧化硫,反应的化学方程式:2SO2+O22SO3,反应为可逆反应,故X中所含的气体有SO2、O2、SO3;
(3)在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右,控制和估计如:通过调节气阀控制气体流量;通过观察甲装置中气泡产生的速率进行估算;
(4)浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远好于水,三氧化硫被浓硫酸充分吸收;丙中的导气管插得太深,导致三氧化硫未通入丙中;故丁装置在反应过程中先出现气泡,不久就出现了雾,而丙装置一直都没有任何现象;答案选AC。
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