2.4 工业合成氨（一）（分层作业）化学沪科版选择性必修1

2.4 工业合成氨 （一）合成氨适宜生产条件的选择 分层作业 1．合成氨工业中 N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，选择适宜的压强时，不需要考虑的因素是 A．反应速率 B．平衡移动 C．设备成本 D．催化剂活性 2．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 3．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　) A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 4．下列关于工业合成氨反应的说法正确的是 A．使用铁做催化剂，可提高合成氨反应的速率和平衡转化率 B．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应，提高H2的平衡转化率 C．合成氨采用2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D．合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间 5．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤D．①②③⑤⑧6．合成甲醇的反应存在平衡体系CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH<0，为了提高CH3OH的产量，应该采取的措施是(　　) A．高温、高压 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 7．合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示，据此分析合成氨工业中最有前途的研究方向是(　　) A．提高分离技术 B．研制耐高压的合成塔 C．研制低温催化剂 D．探索不用N2和H2合成氨的新途径 8．(双选)诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学过程研究中作出的贡献。下列说法正确的是(　　) A．增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率 B．增大催化剂的表面积，能增大合成氨的正反应速率、降低逆反应速率 C．使用催化剂时，反应的活化能降低，反应明显加快 D．工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越不利于提高经济效益 9．2018年是合成氨工业先驱哈伯获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋H2(g)⇌NH3(g)　ΔH＝－46.2kJ·mol－1，在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。 化学吸附：N2(g)―→2N*；H2(g)―→2H*； 表面反应：N*＋H*⇌NH*；NH*＋H*⇌NH；NH＋H*⇌NH； 脱附：NH⇌NH3(g)。 其中N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答： （1）有利于提高平衡混合物中氨含量的条件有________(填标号)。 A．低温B．高温 C．低压D．高压E．催化剂 （2）实际生产中，常用Fe作催化剂，控制温度773K，压强3.0×105Pa，原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2适度过量的两个理由_________________________________________。 （3）下列关于合成氨工业的理解正确的是________(填标号)。 A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B．当温度、压强一定时，向合成氨平衡体系中添加少量惰性气体，平衡正向移动 C．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，有利于反应正向进行 D．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，防止催化剂“中毒” 10．氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一。 传统哈伯法合成氨工艺中相关的反应式为：N2+3H22NH3⊿H<0。 （1）该反应的平衡常数K的表达式为：K= 。降低温度，K值 (填“增大”“减小”或“不变”)。 （2）不同温度、压强下，合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表(N2和H2的起始物质的量之比为1∶3)。分析表中数据， (填温度和压强)时H2转化率最高，实际工业生产不选用该条件的主要原因是 。 11．化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是 A．硫酸工业中，在高温高压、催化剂作用下，可提高生产效益 B．硫酸工业中，为提高的转化率，可通入稍过量的空气 C．工业合成氨，考虑催化剂的活性，选择的反应温度 D．工业合成氨，迅速冷却、液化氨气是为了使化学平衡向生成氨气的方向移动 12．(双选)已知：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)　ΔH＝－92.4kJ·mol－1。起始反应物为N2和H2，物质的量之比为1∶3，且总物质的量不变，在不同压强和温度下，反应达到平衡时，体系中NH3的物质的量分数如下表，下列说法正确的是(　　) 　　温度 压强　　 400℃ 450℃ 500℃ 600℃ 20MPa 0.387 0.274 0.189 0.088 30MPa 0.478 0.359 0.260 0.129 A.体系中NH3的物质的量分数越大，则正反应速率越大 B．反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比均为1∶1 C．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4kJ D．400℃，30MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多 13．近年来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。回答下列问题： （1）已知：CO2(g)＋H2(g)⇌H2O(g)＋CO(g) ΔH1＝＋41.1kJ·mol－1 CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH2＝－90.0kJ·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(g)的产率，理论上应采用的条件是________(填序号)。 a．高温高压b．低温低压 c．高温低压d．低温高压 （3）250℃时，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，如图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X的平衡转化率的变化曲线。 反应物X是________(填“CO2”或“H2”)。 （4）250℃时，在体积为2.0L的恒容密闭容器中加入6molH2、2molCO2和催化剂，10min时反应达到平衡，测得c(CH3OH)＝0.75mol·L－1。 ①前10min内H2的平均反应速率v(H2)＝________mol·L－1·min－1。 ②化学平衡常数K＝________。 ③催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，四组实验数据：得到如下 实验 标号 温度/K 催化剂 CO2的转化率/% 甲醇的选择性/% 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生产甲醇的最优条件为________(填实验编号)。 14．哈伯在1905年发明了合成氨的方法。 Ⅰ.其合成原理为：，。请回答下列问题： （1）合成氨反应在常温下 （填“能”或“不能”）自发。 Ⅱ.实验如表所示，可推导出合成氨的速率方程：， 实验 1 m n p q 2 2m n p 2q 3 m n 0.1p 10q 4 m 2n p 2.828q （2） ； （3）根据已知信息，以下措施既能加快反应速率，又能提高平衡转化率的是 （填序号）。 a.加压       b.改进催化剂性能        c.升温        d.将、浓度都变为原来的2倍 Ⅲ.合成氨反应，初始时进料体积比，在相同催化剂条件下平衡气体中的物质的量分数与温度、压强的关系如图所示。 （4）a、b化学反应速率较大的是 （填“a”或“b”）； （5）在500℃、压强为10P0时，N2的转化率为 ，Kp= ［Kp为平衡分压代替平衡浓度计算求得的平衡常数（分压总压物质的量分数），用含有的代数式表示］。 Ⅳ.如图为利用和空气中的以超薄纳米为催化剂在光照下合成氨的原理。 （6）已知.，则上述合成氨的热化学方程式为 。 15．中国科学家在淀粉人工合成技术上取得重大进展，该实验方法首先将催化还原为。已知催化加氢的主要反应有： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： （1）水煤气也是合成甲醇的重要原料，反应 (用含和式子表示)。 （2）在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入和，起始压强为4MPa，发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时的转化率为40％，的物质的量为0.1mol。反应Ⅰ的分压平衡常数 (气体分压=总压×该组分的物质的量分数)。 （3）在恒温恒压反应器中通入、气体，的平衡转化率及的平衡产率随温度变化关系如图a。反应Ⅰ和反应Ⅱ的、满足线性关系，如图b所示。 已知：的产率= ①下列说法正确的是 。 A．反应过程中，容器内压强不再变化，说明反应Ⅰ达到平衡 B．反应过程中，气体密度维持不变，说明反应Ⅰ达到平衡 C．增大压强能同时提高的平衡转化率和的平衡产率 D．加入对反应I催化效果更佳的催化剂，可以提高CH3OH的产率 ②反应Ⅱ的 0(填“大于”、“小于”或“等于”)；根据图b中确定直线m表示的反应是 (填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。 ③图a中的平衡转化率A点之前随温度升高而降低、A点之后随温度升高而增大的原因是 。 （4）我国科研人员研究出在催化剂上氢化合成甲醇的反应历程如图c所示。结合历程分析在反应气中加入少量的水蒸气 (填“能”或“不能”)提高甲醇产率，解释其原因 。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 1 / 9 学科网（北京）股份有限公司 $$ 2.4 工业合成氨 （一）合成氨适宜生产条件的选择 分层作业 1．合成氨工业中 N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，选择适宜的压强时，不需要考虑的因素是 A．反应速率 B．平衡移动 C．设备成本 D．催化剂活性 【答案】D 【解析】A．该反应为有气体参与的反应，因此增大压强，各物质的浓度增大，反应速率加快，提高氨气的生成速率，这是需要考虑的因素，故A不选； B．该反应为反应前后气体的总量发生变化的反应，因此增大压强，平衡右移，有利于氨高氨气的生成，这是需要考虑的因素，故B不选； C．增大压强，需要设备耐压能力要大，就要考虑到制造耐压设备的成本，这是需要考虑的因素，故C不选； D．催化剂的活性与温度有关，与压强没有关系，选择适宜的压强时，不需要考虑催化剂的活性，故D可选； 故选D。 2．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 【解析】A项，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下该反应能自发进行。 【答案】D 3．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　) A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 【解析】对于反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。 【答案】C 4．下列关于工业合成氨反应的说法正确的是 A．使用铁做催化剂，可提高合成氨反应的速率和平衡转化率 B．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应，提高H2的平衡转化率 C．合成氨采用2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D．合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间 【答案】D 【解析】A. 催化剂可提高合成氨反应的速率，但不影响平衡移动，故不影响平衡转化率。故A错误； B. 合成氨是放热反应，所以低温有利于平衡正向移动，利于提高H2的平衡转化率，但反应速率跟温度有关，温度越高速率越大，所以温度是取在既保证一定速率，又保证反应尽量向正反应方向移动，同时还要确保催化剂活性，因为催化剂活性跟温度关系很大，一般合成氨反应500℃是保证催化活性最大，不是为了使化学平衡向正反应方向移动，故B错误； C. 合成氨的反应是分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高正反应速率，跟催化剂无关，故C错误； D. 合成氨的反应是分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高正反应速率，故合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间，故D正确； 故选D。 5．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤D．①②③⑤⑧ 【解析】从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑧不影响化学平衡，③使化学平衡向左移动。 【答案】C 6．合成甲醇的反应存在平衡体系CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH<0，为了提高CH3OH的产量，应该采取的措施是(　　) A．高温、高压 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 【解析】合成甲醇的反应是一个反应前后气体体积减小的放热反应，为提高CH3OH的产量，一要使平衡正向移动，二要使反应速率增大，因此应使用催化剂，同时考虑催化剂的活性，反应温度要适宜，高压有利于平衡正向移动，故采取的措施是选择适宜的温度、高压、催化剂。 【答案】B 7．合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示，据此分析合成氨工业中最有前途的研究方向是(　　) A．提高分离技术 B．研制耐高压的合成塔 C．研制低温催化剂 D．探索不用N2和H2合成氨的新途径 【解析】由图可知，φ(NH3)随着温度的升高而显著下降，即在低温条件下，NH3的体积分数较高，但目前所用催化剂——铁触媒的活性最大时的温度在500℃左右，故最有前途的研究方向是研制低温催化剂。 【答案】C 8．(双选)诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学过程研究中作出的贡献。下列说法正确的是(　　) A．增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率 B．增大催化剂的表面积，能增大合成氨的正反应速率、降低逆反应速率 C．使用催化剂时，反应的活化能降低，反应明显加快 D．工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越不利于提高经济效益 【解析】催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡，A项错误；催化剂能同等程度地增大合成氨的正反应速率和逆反应速率，B项错误；使用催化剂可加快反应速率，原因是改变了反应历程，降低了反应活化能，C项正确；压强过高，设备成本高，温度过低，反应速率小，经济效益低，D项正确。 【答案】CD 9．2018年是合成氨工业先驱哈伯获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋H2(g)⇌NH3(g)　ΔH＝－46.2kJ·mol－1，在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。 化学吸附：N2(g)―→2N*；H2(g)―→2H*； 表面反应：N*＋H*⇌NH*；NH*＋H*⇌NH；NH＋H*⇌NH； 脱附：NH⇌NH3(g)。 其中N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答： （1）有利于提高平衡混合物中氨含量的条件有________(填标号)。 A．低温B．高温 C．低压D．高压E．催化剂 （2）实际生产中，常用Fe作催化剂，控制温度773K，压强3.0×105Pa，原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2适度过量的两个理由_________________________________________。 （3）下列关于合成氨工业的理解正确的是________(填标号)。 A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B．当温度、压强一定时，向合成氨平衡体系中添加少量惰性气体，平衡正向移动 C．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，有利于反应正向进行 D．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，防止催化剂“中毒” 【解析】（1）根据合成氨反应的特点可知，低温和高压均可以提高平衡混合物中氨含量，A、D项正确。（2）原料气中N2的成本较低，适度过量可提高成本较高的H2的转化率；从反应速率来看，N2在Fe催化剂上的吸附是该反应速率的决定步骤，N2适度过量有利于提高整体的反应速率。（3）合成氨反应为放热反应，ΔH<0，该反应为气体分子数减小的反应，则ΔS<0，A项正确；恒温恒压时，向合成氨平衡体系中添加少量惰性气体，体积增大，压强减小，平衡逆向移动，B项错误；液化NH3后及时将其移出，生成物浓度降低，平衡正向移动，C项正确；原料气中的杂质气体会使催化剂“中毒”，原料气须经过净化处理，防止催化剂“中毒”，D项正确。 【答案】（1）AD （2）原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率　N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，N2适度过量有利于提高整体的反应速率 （3）ACD 10．氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一。 传统哈伯法合成氨工艺中相关的反应式为：N2+3H22NH3⊿H<0。 （1）该反应的平衡常数K的表达式为：K= 。降低温度，K值 (填“增大”“减小”或“不变”)。 （2）不同温度、压强下，合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表(N2和H2的起始物质的量之比为1∶3)。分析表中数据， (填温度和压强)时H2转化率最高，实际工业生产不选用该条件的主要原因是 。 【答案】 增大 200℃、100MPa； 压强太高，对生产设备要求也高，难以实现 【分析】（1）平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积；根据温度对平衡移动的影响判断平衡常数的变化； （2）H2转化率最高时，氨气的含量最大；实际生成时要考虑生成成本、设备能否达到要求等方面。 【解析】（1）根据化学方程式可写出平衡常数为，由于反应放热，降低温度平衡向正反应方向移动，则平衡常数增大； （2）200℃、100MPa时氨气的含量最大，则H2转化率最高，但实际工业生产中越强不能太大，因压强太高，对生产设备要求也高，难以实现。 11．化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是 A．硫酸工业中，在高温高压、催化剂作用下，可提高生产效益 B．硫酸工业中，为提高的转化率，可通入稍过量的空气 C．工业合成氨，考虑催化剂的活性，选择的反应温度 D．工业合成氨，迅速冷却、液化氨气是为了使化学平衡向生成氨气的方向移动 【答案】A 【解析】A．高温高压、催化剂是合成氨的条件，硫酸工业不需要高压，故A错误； B．为提高SO2的转化率，不是通入的空气越多越好，通入空气越多，导致体系温度下降，需要更多的能量，为提高的转化率，可通入稍过量的空气，故B正确； C．升高温度可加快反应速率，为放热反应，升高温度平衡逆向移动，且催化剂的活性与温度有关，则反应温度选择400~500C是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，故C正确； D．工业合成氨，迅速冷却、液化氨气，是为了使化学平衡向生成氨气的方向移动，故D正确； 答案选：A。 12．(双选)已知：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)　ΔH＝－92.4kJ·mol－1。起始反应物为N2和H2，物质的量之比为1∶3，且总物质的量不变，在不同压强和温度下，反应达到平衡时，体系中NH3的物质的量分数如下表，下列说法正确的是(　　) 　　温度 压强　　 400℃ 450℃ 500℃ 600℃ 20MPa 0.387 0.274 0.189 0.088 30MPa 0.478 0.359 0.260 0.129 A.体系中NH3的物质的量分数越大，则正反应速率越大 B．反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比均为1∶1 C．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4kJ D．400℃，30MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多 【解析】体系中NH3的物质的量分数越大，不能表示正反应速率越大，如20MPa、500℃时NH3的物质的量分数大于30MPa、600℃时NH3的物质的量分数，但后者的温度和压强较大，反应速率较快，A项错误；起始反应物N2和H2的物质的量之比为1∶3，因此反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比为1∶1，B项正确；由于无法确定参与反应的N2和H2具体的物质的量，故无法求得生成的NH3的物质的量，因此无法计算达到平衡时放出的热量，C项错误；根据表中数据可知，400℃、30MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多，D项正确。 【答案】BD 13．近年来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。回答下列问题： （1）已知：CO2(g)＋H2(g)⇌H2O(g)＋CO(g) ΔH1＝＋41.1kJ·mol－1 CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH2＝－90.0kJ·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(g)的产率，理论上应采用的条件是________(填序号)。 a．高温高压b．低温低压 c．高温低压d．低温高压 （3）250℃时，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，如图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X的平衡转化率的变化曲线。 反应物X是________(填“CO2”或“H2”)。 （4）250℃时，在体积为2.0L的恒容密闭容器中加入6molH2、2molCO2和催化剂，10min时反应达到平衡，测得c(CH3OH)＝0.75mol·L－1。 ①前10min内H2的平均反应速率v(H2)＝________mol·L－1·min－1。 ②化学平衡常数K＝________。 ③催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，四组实验数据：得到如下 实验 标号 温度/K 催化剂 CO2的转化率/% 甲醇的选择性/% 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生产甲醇的最优条件为________(填实验编号)。 【解析】（1）根据盖斯定律，将题述两个热化学方程式相加可得：3H2(g)＋CO2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.9kJ·mol－1。（2）根据热化学方程式可知，生成CH3OH(g)的反应是放热反应，也是气体体积减小的反应，故要想提高CH3OH(g)的产率，需要低温高压，d项合理。（3）观察图中的横坐标，其表示的物理量为，假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，可推知反应物X为CO2。（4）①CH3OH(g)的浓度变化量为0.75mol·L－1，则有 　　　　　　　　　　3H2(g)＋CO2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g) 起始浓度/(mol·L－1)　　3　　　1　　　0　　　　0 转化浓度/(mol·L－1) 2.250.750.750.75 平衡浓度/(mol·L－1) 0.750.250.750.75 H2的浓度变化量为2.25mol·L－1，则前10min内H2的平均反应速率v(H2)＝0.225mol·L－1·min－1。②K＝＝(mol·L－1)－2＝(mol·L－1)－2。③选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一个产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D中甲醇的选择性好，虽然B中CO2的转化率比D中的稍低些，但是B中CH3OH(g)的选择性比D中的好，故B为最优条件。 【答案】（1）3H2(g)＋CO2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.9kJ·mol－1　（2）d　（3）CO2 （4）①0.225　②(mol·L－1)－2　③B 14．哈伯在1905年发明了合成氨的方法。 Ⅰ.其合成原理为：，。请回答下列问题： （1）合成氨反应在常温下 （填“能”或“不能”）自发。 Ⅱ.实验如表所示，可推导出合成氨的速率方程：， 实验 1 m n p q 2 2m n p 2q 3 m n 0.1p 10q 4 m 2n p 2.828q （2） ； （3）根据已知信息，以下措施既能加快反应速率，又能提高平衡转化率的是 （填序号）。 a.加压       b.改进催化剂性能        c.升温        d.将、浓度都变为原来的2倍 Ⅲ.合成氨反应，初始时进料体积比，在相同催化剂条件下平衡气体中的物质的量分数与温度、压强的关系如图所示。 （4）a、b化学反应速率较大的是 （填“a”或“b”）； （5）在500℃、压强为10P0时，N2的转化率为 ，Kp= ［Kp为平衡分压代替平衡浓度计算求得的平衡常数（分压总压物质的量分数），用含有的代数式表示］。 Ⅳ.如图为利用和空气中的以超薄纳米为催化剂在光照下合成氨的原理。 （6）已知.，则上述合成氨的热化学方程式为 。 【答案】（1）能 （2）-1 （3）ad （4）b （5）33.3% （6） 【解析】（1），所以合成氨反应在常温下能自发进行； （2）根据表格可列式，解得； （3）a．加压能加快化学反应速率，平衡向气体分子数减小的方向移动，即正向移动，所以平衡转化率提高，故a正确； b．改进催化剂性能只能改变化学反应速率，无法使平衡移动，故b错误； c．升温能加快化学反应速率，平衡向吸热反应方向移动，即逆向移动，所以平衡转化率降低，故c错误； d．将、浓度都变为原来的2倍，能加快化学反应速率，相当于在原平衡的基础上加压，所以平衡正向进行，平衡转化率提高，故d正确； 故选ad； （4）b温度和压强比a更高，所以b的化学反应速率较大； （5）由图可知，在500℃、压强为10P0时，氨的物质的量分数为20%，设N2的转化量为x mol，根据三段法可列，，解得，所以N2的转化率为；N2、H2、NH3的物质的量分数分别为20%、60%、20%，则； （6）根据方程式可知，该反应的焓变可由两个反应、焓变计算得到，所以合成氨的热化学方程式为。 15．中国科学家在淀粉人工合成技术上取得重大进展，该实验方法首先将催化还原为。已知催化加氢的主要反应有： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： （1）水煤气也是合成甲醇的重要原料，反应 (用含和式子表示)。 （2）在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入和，起始压强为4MPa，发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时的转化率为40％，的物质的量为0.1mol。反应Ⅰ的分压平衡常数 (气体分压=总压×该组分的物质的量分数)。 （3）在恒温恒压反应器中通入、气体，的平衡转化率及的平衡产率随温度变化关系如图a。反应Ⅰ和反应Ⅱ的、满足线性关系，如图b所示。 已知：的产率= ①下列说法正确的是 。 A．反应过程中，容器内压强不再变化，说明反应Ⅰ达到平衡 B．反应过程中，气体密度维持不变，说明反应Ⅰ达到平衡 C．增大压强能同时提高的平衡转化率和的平衡产率 D．加入对反应I催化效果更佳的催化剂，可以提高CH3OH的产率 ②反应Ⅱ的 0(填“大于”、“小于”或“等于”)；根据图b中确定直线m表示的反应是 (填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。 ③图a中的平衡转化率A点之前随温度升高而降低、A点之后随温度升高而增大的原因是 。 （4）我国科研人员研究出在催化剂上氢化合成甲醇的反应历程如图c所示。结合历程分析在反应气中加入少量的水蒸气 (填“能”或“不能”)提高甲醇产率，解释其原因 。 【答案】（1） （2） （3）BCD 大于 反应Ⅰ 在A点前，反应以反应Ⅰ为主，温度升高，平衡逆向移动，二氧化碳的转化率降低，A点之后，以反应Ⅱ为主，温度升高，平衡正向移动，二氧化碳转化率升高 （4）能 增加少量水蒸气可促进反应③平衡正向移动，提高甲醇的产率 【解析】（1）根据盖斯定律，反应I减去反应II得到目标反应，故； （2）在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入1molCO2(g)和3molH2(g)，发生反应Ⅰ和Ⅱ，根据题意，CO(g)的物质的量为0.1mol，可以得到各物质的物质的量变化关系如下：，平衡时CO2(g)的转化率为40％，故发生反应Ⅰ的CO2(g)为0.3mol，可以得到各物质的物质的量变化关系如下：，故平衡时物质的量的分别是0.6mol、2mol、0.3mol、0.4mol、0.1mol，总物质的量为3.4mol，恒T、V下压强之比等于物质的量之比，故平衡后总压强为3.4MPa。反应Ⅰ的分压平衡常数； （3）①A．因为反应在恒压反应器中进行，容器内压强始终不变，反应不一定达到平衡，故A不正确； B．反应过程中，压强恒定，则容积可变，气体的总质量不变，体积改变，则气体密度随反应进行而改变，当密度不变时，反应达到平衡状态，故B正确； C．反应I为气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，CH3OH的平衡产率增大，故C正确； D．加入对反应I催化效果更佳的催化剂，则反应I进行的程度更大，可以提高CH3OH的产率，故D正确； 答案选BCD； ②由图可知，温度升高甲醇的平衡产率降低，说明升温反应Ⅰ平衡逆向移动，逆反应为吸热反应，故正反应为放热反应，从图中还能发现，温度升高到一定程度后二氧化碳的平衡转化率升高，即升温反应Ⅱ平衡正移，所以反应Ⅱ为吸热反应，答案为大于；由图可发现温度升高减小，横坐标增大表示降温，直线m当降温时lgK增加，即K增加，说明平衡正向移动，降温向放热反应方向移动，反应Ⅰ是放热反应，故m表示反应Ⅰ； ③在A点前，反应以反应Ⅰ为主，温度升高，平衡逆向移动，二氧化碳的转化率降低，A点之后，以反应Ⅱ为主，温度升高，平衡正向移动，二氧化碳转化率升高； （4）增加少量水蒸气可促进反应③平衡正向移动，提高甲醇的产率；故在反应气中加入少量的水蒸能提高甲醇产率。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 1 / 9 学科网（北京）股份有限公司 $$