第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-（配套练习）【精讲精练】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

**基本信息** 围绕化学反应速率与平衡，采用基础单选-进阶多选-提升综合题三层设计，梯度衔接合理，强化从概念辨析到工业应用的知识巩固路径，培养化学观念与科学思维。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |基础层|单一概念辨析（如速率与平衡区别、影响因素）|以工业生产实例（合成氨、SO₃制备）考查基础考点，选项设置易混概念对比| |进阶层|综合应用分析（图表解读、速率方程、平衡移动）|结合工业流程图与数据表格，需多角度分析平衡移动与转化率关系（如第8-10题）| |提升层|工业情境综合实践（条件选择、计算、方案设计）|通过硫酸工业、合成氨等真实情境，考查数据处理与生产条件优化（如第11-13题）|

[对应知能达标训练P37] 一、选择题：每小题只有一个选项符合题目要求。 1．学习“化学反应的速率和化学平衡”内容后，联系工业生产实际所发表的观点，你认为正确的是(　　) A．化学反应速率理论可指导怎样提高原料的平衡转化率 B．化学平衡理论可指导怎样使用有限原料多出产品 C．温度升高，分子动能增加，反应所需活化能减少，反应速率增大 D．增大压强能提高活化分子的百分率，提高单位时间内分子有效碰撞次数 解析　B　化学反应速率是表示物质反应的快慢，不能改变原料的转化率，A错误； 化学平衡理论结合影响化学平衡的因素，采用合适的外界条件，是平衡向正反应方向移动，可提高产率，B正确； 温度升高，分子动能增加，活化分子比例增大，反应速率增大，不是反应所需活化能减少，C错误；增大压强能提高单位体积内活化分子数目，提高单位时间内分子有效碰撞次数，不是提高活化分子的百分率，D错误。 2．氨是重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。工业合成氨的反应为N2(g)＋H2(g)NH3(g)，能量转化关系如图所示。下列有关说法错误的是(　　) A．低温、高压有利于提高NH3产率 B．选择铁作催化剂可以提高N2和H2的转化率 C．将NH3液化分离有利于提高产率 D．合成氨采取循环操作，能提高N2和H2的利用率 解析　B　合成氨反应正向是气体体积减小的放热反应，因此低温、高压有利于平衡正向移动，从而提高NH3产率，A正确；催化剂只能提高反应速率，不能使平衡发生移动，即不能提高N2和H2的转化率，B错误；将NH3液化分离使平衡正向移动有利于提高产率，C正确；循环操作可以让未反应的N2和H2再次作为原料参与反应，能提高N2和H2的利用率，D正确。 3．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　) A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量 解析　D　工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。 4．在恒温密闭的容器中进行反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　) A．加入高效催化剂，既可增大反应速率，也可增大反应的平衡转化率 B．若为恒压容器，充入惰性气体，平衡不移动 C．达到平衡后，保持O2的浓度不变，扩大容器体积，平衡逆向移动 D．若将容器改为绝热恒容，如果反应从正向开始，则到达平衡的时间缩短 解析　D　催化剂不能改变平衡转化率，A不正确；恒压条件下充入惰性气体，有关气体分压减少，化学平衡向左移动，B不正确；保持氧气浓度不变，扩大容器体积，不变，则浓度商Q＝＝K，说明仍处于平衡状态，故平衡不移动，C不正确；正反应为放热反应，在绝热的条件下，温度升高，化学反应速率加快，D正确。 5．合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得，其中的一步反应为：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0 反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施正确的是(　　) A．增加压强　　　　　 B．降低温度 C．增大CO的浓度 D．更换催化剂 解析　B　A项，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO的转化率无影响； B项，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右移动，提高CO的转化率；C项，增大CO的浓度会降低CO的转化率；D项，更换催化剂不能使化学平衡发生移动。 6．已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是(　　) A．加快通入尾气的速率 B．用石灰水替代石灰乳 C．适当补充O2 D．升高温度 解析　C　A．通入尾气的速率加快，可能导致气体吸收不充分，尾气中NO和NO2去除率降低；B.用石灰水替代石灰乳，溶液中溶质的浓度减小，吸收效果变差，尾气中NO和NO2去除率降低；C.适当补充O2，可将尾气中过量的NO氧化为NO2进而被吸收，从而提高尾气中NO和NO2去除率；D.升高温度，气体的溶解度降低，从而降低尾气中NO和NO2去除率。 7．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　) A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应物的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大 C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率 解析　B　催化剂的优化不影响平衡的移动，不能提高反应物的转化率，A错误；缩小容器体积即增大压强，平衡向气体体积减小的方向即正向移动，体系中各组分浓度均增大，B正确；减小H2O(g)的浓度时正反应速率瞬间不变，v逆减小，平衡正向移动，C错误；升高温度，平衡逆向移动，CO的平衡转化率降低，D错误。 二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题目要求。 8．下图为工业合成氨流程图，该反应速率方程为v＝kcc1.5c－1，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气体)在进入合成塔前可经过铜氨液净化处理，其反应为：＋CO(g)＋NH3(g)[CuCO]＋　ΔH<0，有关说法错误的是(　　) A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤②中“加压”既可以提高合成氨原料的转化率，又可以加快反应速率 C．为保证足够高的反应速率，反应达到一定转化率时需及时将氨从体系中分离 D．“净化”时适当升高温度，可增大反应速率和CO的平衡转化率 解析　D　步骤①中“净化”是除去杂质，以防止铁催化剂中毒，A正确； 合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，B正确；在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移动，能保持足够高的原料转化率，结合v＝kcc1.5c－1可知，分离出氨气也可以促使反应速率加快，C正确；“净化”时经过铜氨液净化处理反应为放热反应，适当升高温度，可增大反应速率，但是导致反应逆向进行，CO的平衡转化率降低，D错误。 9．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。图甲表示在容积为2 L的恒容密闭容器中，NH3的物质的量浓度随时间的变化曲线。图乙表示在其他条件不变时，平衡时NH3的体积分数随起始时H2的物质的量的变化曲线。下列说法正确的是(　　) A．图甲中，10 min末H2的消耗速率v(H2)＝0.045 mol·L－1·min－1 B．图甲中，其他条件不变，第11 min时迅速压缩容器容积为1 L，则c(NH3)­t曲线变化为a C．图乙中，反应物N2的平衡转化率：c>b>a D．图乙中，T1、T2表示温度，则T1>T2 解析　BC　由题图数据只能计算前10 min内H2的平均消耗速率，不能计算10 min末H2的瞬时速率，A错误；第11 min时迅速压缩容器容积为1 L，平衡正向移动，c(NH3)先瞬间增大为原来的2倍后继续增大至不变，则c(NH3)­t曲线变化为a，B正确；起始时氢气的物质的量越大，反应物N2的平衡转化率越大，故N2的平衡转化率：c>b>a，C正确；该反应为放热反应，其他条件相同时，升高温度，平衡逆向移动，平衡时氨气的体积分数减小，故温度：T1<T2，D错误。 10．(2024·吉林卷)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品，150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示，15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是(　　) A．3 h时，反应②正、逆反应速率相等 B．该温度下的平衡常数：①>② C．0～3 h平均速率v(异山梨醇)＝0.014 mol·kg－1·h－1 D．反应②加入催化剂不改变其平衡转化率 解析　A　3 h时异山梨醇的浓度仍在增大，1，4­失水山梨醇的浓度仍在减小，说明此刻反应②未达到平衡状态，即正、逆反应速率不相等，A错误；由题图可知，3 h时山梨醇的浓度已为0，副产物的浓度不变，说明反应①、③均是不可逆反应，15 h后异山梨醇的浓度不再变化，1，4­失水山梨醇的浓度大于0，说明反应②是可逆反应，则该温度下的平衡常数：①>②，B正确；0～3 h内平均速率v(异山梨醇)＝＝0.014 mol·kg－1·h－1，C正确；反应②使用催化剂能加快反应速率，缩短达到化学平衡状态的时间，但是催化剂对化学平衡移动无影响，故加入催化剂不改变其平衡转化率，D正确。 三、非选择题 11．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3 (g)　ΔH＝－198 kJ· mol－1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)： 　p/Pa T/℃　　 1×105 5×105 1×106 5×106 1×107 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是________。 (2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是 ________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (4)在生产中，通入过量空气的目的是____________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了_______________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)二氧化硫的催化氧化反应是气体物质的量减小的放热反应，根据化学平衡移动原理，可知低温、高压有利于平衡正向移动，促进二氧化硫转化为三氧化硫。(2)该反应是放热反应，温度过高不利于二氧化硫的转化，选用400～500 ℃作为操作温度主要是该温度下催化剂的活性最大，反应速率较快能缩短反应达到平衡所需要的时间。(3)由表中数据可知该反应二氧化硫的转化率受压强影响不大，在常压下已经很高了，若再加压对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不经济。(4)氧气的成本比二氧化硫的较低，通入过量空气可以提高氧气的浓度促使平衡正向移动，提高二氧化硫的转化率。(5)二氧化硫是大气的主要污染物，回收尾气中的二氧化硫是为了减少对大气的污染，同时也可对回收的二氧化硫再循环利用，提高其利用率降低生产成本。 答案　(1)低温、高压　(2)该温度是催化剂的活性最强的温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间　(3)因为在常压下，400～500 ℃时SO2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不经济　(4)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率　(5)减少对环境的污染，提高SO2利用率降低生产成本 12．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。 达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[投料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]。 压强/MPa NH3的含量/% 温度/℃ 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)比较200 ℃和300 ℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为________(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是________(填字母)。 A．高温、高压　　　　 B．高温、低压 C．低温、高压 D．低温、低压 (3)计算500 ℃，30 MPa时N2的转化率为_______。 (4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500 ℃对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：___________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________。 解析　(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。(3)假设N2的用量为1 mol，H2的用量为3 mol，N2的消耗量为x mol，则 　　　　 　N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） 初始量（mol） 1 3 0 转化量（mol） x 3x 2x 平衡量（mol） 1－x 3－3x 2x 得：×100%＝26.4%，x≈0.417 7，α(N2)＝×100%＝41.77%。(4)增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，500 ℃ 时加入合适的催化剂(铁)，既提高化学反应速率，又使铁的催化剂性能最好。 答案　(1)逆反应　放热　(2)C　(3)41.77% (4)加过量N2或及时从平衡体系中移走NH3，选择合适的催化剂(如铁) 13．丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题： (1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下： ①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ/mol ②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)　ΔH＝－353 kJ/mol 两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是________________________；有利于提高丙烯腈产率的反应条件是________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。 (2)图1为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是______________________________；高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填字母)。 A．催化剂活性降低　 B．平衡常数变大 C．副反应增多 D．反应活化能增大 (3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图2所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为________，理由是______________________________________________。进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为____________。 解析　(1)因为生成丙烯腈和丙烯醛的反应均为放热量较大的反应，所以在热力学上趋势均很大；反应①为气体体积增大的放热反应，低温、低压均有利于提高丙烯腈的平衡产率；使用合适的催化剂可以提高丙烯腈反应的选择性。 (2)该反应是放热反应，温度升高平衡产率应降低，而低于460 ℃时产率随温度的升高而增大，说明在此时反应平衡尚未建立，对应温度下的产率不是平衡产率。催化剂在一定的温度范围内活性较高，高于460 ℃时，催化剂活性降低，丙烯腈产率降低，A正确；反应①是放热反应，温度升高平衡左移，平衡常数变小，丙烯腈产率降低，B错误；温度升高，副反应增多，导致丙烯腈的产率下降，C正确；反应活化能的大小不影响平衡，D错误。 (3)根据图2可知，当≈1.0时，丙烯腈的产率最高，而丙烯醛的产率最低，故1.0是最佳比值。根据化学反应：C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)，氨气、氧气、丙烯按1∶1.5∶1的初始体积比加入反应达到最佳状态，而空气中氧气约占，所以进料氨、空气、丙烯的理论体积比约为1∶7.5∶1。 答案　(1)两个反应均为放热量大的反应　低温、低压　　催化剂 (2)不是　该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低　AC (3)1.0　该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低　1∶7.5∶1 学科网（北京）股份有限公司 $