内容正文:
第2章
化学反应的方向、限度与速率
第1讲 描述运动的基本概念
基础过关练
第4节 化学反应条件的优化——
工业合成氨
第1讲 描述运动的基本概念
题组一 合成氨条件的选择
1.[2026黑龙江大庆实验中学月考]已知N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1 ΔS=-198 J·mol-1·
K-1,如图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 ( )
A.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率,所以生产中压强越大越好
B.步骤④中反应温度提高至1 000 ℃,反应速率加快且催化剂的活性更高
C.步骤②④⑤⑥均有利于提高原料的平衡转化率
D.若此反应中ΔH和ΔS不随温度变化而变化,则保持此反应自发进行的温度应低于466.7 K
D
第1讲 描述运动的基本概念
解析 合成氨的反应为气体分子总数减小的反应,加压有利于平衡正向移动,但压强过大对设备要求
高,且不经济,A错误;步骤④中反应温度为400~500 ℃时催化剂活性最好,加入催化剂只能提高反应速
率,不能提高平衡转化率,升高温度平衡逆向移动,B、C错误;该反应自发进行,需使ΔH-TΔS<0,即-92.4 kJ
·mol-1-T×(-0.198 kJ·mol-1·K-1)<0,解得T<466.7 K,则保持此反应自发进行的温度应低于466.7 K,D正确。
第1讲 描述运动的基本概念
2.[2026北京东直门中学月考]合成氨的化学反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol-1。吉
林大学与韩国、加拿大科研人员合作研究,提出基于机械化学(“暴力”干扰使铁活化)在温和条件下
由氮气合成氨的新方案(过程如图所示),利用这种方案所得氨的体积分数最终可高达82.5%。下列有关
分析错误的是 ( )
A.铁是该合成氨反应的催化剂
B.采用该方案生产氨气,活化能不变
C.采用该方案生产氨气,ΔH不变
D.该方案所得氨的含量高,与反应温度较低有关
B
第1讲 描述运动的基本概念
解析 由题图可以看出Fe是合成氨反应的催化剂,A正确;使用催化剂能改变反应历程,降低活化能,但
不能改变反应的ΔH,B错误,C正确;合成氨反应是放热反应,较低的反应温度有利于提高NH3产率,D正
确。
第1讲 描述运动的基本概念
3.[2026山东泰安阶段测试]氨的工业化生产满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供
了足够的原料。合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH。在298 K时:该反应的ΔH
=-92.2 kJ·mol-1,K=4.1×106 L2·mol-2。
(1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大,为什么还需要使用催化剂?____________________________
__________________________________。
(2)试分析实际工业生产中合成氨选择400~500 ℃的原因:______________________________________
________________________________________________________________。
(3)298 K、1.01×105 Pa下,在10 L密闭容器中充入10 mol氮气、30 mol氢气和20 mol氨气,开始时反应向
________(填“正反应”或“逆反应”)方向进行,反应进行5 min后体系能量的变化为_______(填
“吸收”或“放出”)184.4 kJ热量,容器内压强与原来的压强之比为_________。
放出
正反应
在该温度范围内,催化剂的活性较高,反应
使用催化剂主要是为了加快
反应速率,提高单位时间内的产量
速率较快,反应的限度虽然有些低,但综合分析,单位时间内的产量还是最理想的
第1讲 描述运动的基本概念
(4)从开始至5 min时,用N2浓度变化表示该反应的平均速率:v(N2)=_______________________。
0.04 mol·L-1·min-1
第1讲 描述运动的基本概念
解析 (3)Q= = L2·mol-2<K=4.1×106 L2·mol-2,反应向正反应方向进行,放出热量;由
题给信息可知反应进行5 min后放出184.4 kJ热量,故这5 min内生成的氨气为4 mol,列出三段式:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 10 30 20
转化/mol 2 6 4
5 min时/mol 8 24 24
故5 min时气体总物质的量为56 mol,容器内压强与原来的压强之比为 = 。(4)v(N2)= =0.0
4 mol·L-1·min-1。
第1讲 描述运动的基本概念
题组二 化学反应的调控
4.[2026辽宁沈阳东北育才中学月考]工业合成甲醇的原理为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0,其工
艺流程如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.“净化”的目的是防止催化剂失活
B.合成甲醇时压强越大越好
C.“冷却装置”能提高原料平衡转化率和反应速率
D.采用“高温”有利于提高甲醇的平衡产率
A
第1讲 描述运动的基本概念
解析 “净化”的目的是除去杂质以防催化剂中毒失活,确保工业生产过程中的效率,故A正确;CO(g)+
2H2(g) CH3OH(g)是反应前后气体体积减小的反应,增大压强可以使平衡正向移动,增大反应物的转
化率,但压强越大,对设备的要求越高、需要的动力越大,在实际生产中,压强的选择并不是越大越好,而
是需要综合考虑多个因素,故B错误;CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的正反应是放热反应,降低温度有利于
平衡正向移动,且经过“冷却装置”可将甲醇液化从体系中分离出来,这也有利于提高原料平衡转化
率,但不能提高反应速率,故C错误;CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的正反应是放热反应,采用“高温”不
利于提高甲醇的平衡产率,故D错误。
第1讲 描述运动的基本概念
5.[2026河南新乡联考]在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化为SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-
196.6 kJ/mol。下表列出了恒容刚性容器中,在不同温度和压强下,反应达到平衡时SO2的转化率。下列
说法错误的是 ( )
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A.在达到平衡时充入He增大压强,不能增大SO2的转化率
B.为了增大SO2的转化率,可以控制SO2与O2的投料比小于2
C.应选择的适宜生产条件是450 ℃,10 MPa
D.在实际生产中,选定的温度为400~500 ℃,主要原因是考虑催化剂的活性
C
第1讲 描述运动的基本概念
解析 反应容器为恒容刚性容器,充入与反应无关的气体,反应体系中参与反应的各气体浓度不变,SO2
转化率不变,A正确;控制SO2和O2的投料比小于2,可增大SO2的转化率,B正确;由表格数据可知,相同压强
下,450 ℃时SO2的转化率比500 ℃时的高,450 ℃时,10 MPa时的转化率比0.1 MPa时的转化率增大的不
明显,但对设备要求却很高,C错误;温度在400~500 ℃时,催化剂的活性较好,D正确。
第1讲 描述运动的基本概念
名师点睛
对化学反应和化工生产条件进行综合分析
既要考虑化学反应速率和化学平衡,又要考虑催化剂活性、副反应、动力、材料、设备、原料的
价格、未转化的反应物的循环使用、反应热的综合利用等问题。
(1)选择合适的温度:考虑对化学反应速率、化学平衡、催化剂活性的影响。
(2)一般要使用催化剂:这样可以加快化学反应速率,提高生产效率,也提高了经济效益。
(3)选择合适的压强:既要考虑化学反应速率和化学平衡,还要考虑动力、材料、设备等。
(4)若反应物有两种(或两种以上),通常采用适当增大一种材料易得且价格较便宜的反应物的浓度,以提
高另外一种(或另外几种)反应物的转化率。
第1讲 描述运动的基本概念
6.[2026山东烟台牟平一中月考]反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生,其中反应Ⅰ、Ⅱ发
生在氧化炉中,反应Ⅲ发生在氧化塔中,不同温度下各反应的化学平衡常数(K)如表所示。
温度/K 化学平衡常数(K)
反应Ⅰ:4NH3+5O2
4NO+6H2O 反应Ⅱ:4NH3+3O2
2N2+6H2O 反应Ⅲ:2NO+O2
2NO2
500 1.1×1026 mol·L-1 7.1×1034 mol·L-1 1.3×102 L·mol-1
700 2.1×1019 mol·L-1 2.6×1025 mol·L-1 1.0 L·mol-1
第1讲 描述运动的基本概念
下列说法正确的是 ( )
A.使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量
B.通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C.通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D.氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度
A
第1讲 描述运动的基本概念
解析 使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可加快反应Ⅰ的速率,从而在相同时间内生成更多NO,增大氧
化炉中NO的含量,A正确;反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数均随温度升高而减小,说明反应Ⅰ和反应Ⅱ均为
放热反应,降低温度不能选择性促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ,B错误;反应Ⅰ和反应Ⅱ均是反应前后气体分
子数增大的反应,不能通过改变压强达到促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ的目的,C错误;反应Ⅲ的平衡常数随
温度升高而减小,说明其为放热反应,低温有利于生成NO2,氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度以提
高NO2产率,D错误。
第1讲 描述运动的基本概念
7.[2025北京顺义一中月考]我国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。CO2资源化利用对
缓解碳减排压力具有重要意义。在二氧化碳催化加氢制甲烷的反应体系中,主要发生的反应有:
反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-164.7 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g) ΔH3=-247.1 kJ·mol-1
向恒压密闭容器中通入1 mol CO2和4 mol H2,平衡时体系内CH4、CO、CO2的物质的量(n)与温度(T)的
变化关系如图所示。
第1讲 描述运动的基本概念
(1)利用上述反应计算CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)的ΔH=____________________。
(2)结合上述反应,解释图中CO的物质的量随温度变化的原因:______________________________
______________________________________________________。
升高温度时,反应Ⅱ的平衡正向移动,
+205.9 kJ·mol-1
反应Ⅲ的平衡逆向移动,平衡的移动使CO的含量升高
第1讲 描述运动的基本概念
(3)在实际生产中为了提高甲烷的产量,选择的反应条件为较低温度和使用合适的催化剂,从反应原理
角度说明选择该反应条件的理由:__________________________________________________________、
_________________________________________________。
合适的催化剂可以加快反应速率,同时提高CH4的选择性
反应Ⅰ和Ⅲ均为放热反应,低温有利于CH4生成,同时抑制CO2转化为CO
第1讲 描述运动的基本概念
解析 (1)根据盖斯定律,反应Ⅱ-反应Ⅰ可得CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1-
(-164.7 kJ·mol-1)=+205.9 kJ·mol-1。
(3)反应Ⅰ和反应Ⅲ均为放热反应,较低的温度有利于反应Ⅰ和反应Ⅲ正向进行同时抑制反应Ⅱ正向进
行,有利于CO2转化为CH4,但会使反应速率较慢,所以还需选用合适的催化剂,加快反应速率,同时提高
CH4的选择性。
第1讲 描述运动的基本概念
能力提升练
第4节 化学反应条件的优化——
工业合成氨
第1讲 描述运动的基本概念
题组一 工业合成氨条件的选择与分析
1.[不定项][2025山东青岛期中]在不同压强下,按照n(N2)∶n(H2)=1∶3方式进料合成氨:N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),反应达平衡时NH3的物质的量分数随温度的变化关系如图。实验研究表明,合成氨反应
的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)。下列说法正确的是 ( )
A.p1>p2>p3
B.Q点氢气的平衡转化率约为66.7%
C.Q点对应的压强平衡常数Kp= (MPa)-2
D.为同时提高合成氨反应速率和氨的平衡产率,可以及时分离出氨气
CD
第1讲 描述运动的基本概念
解析
设起始时氮气的物质的量为1 mol,Q点转化的氮气的物质的量为x mol,根据题意列三段式如下:
第1讲 描述运动的基本概念
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol 1-x 3-3x 2x
平衡时气体的总物质的量为(1-x) mol+(3-3x) mol+2x mol=(4-2x) mol,Q点NH3的物质的量分数为 =
0.20,解得x= ,所以氢气的平衡转化率为 ×100%≈33.3%,B项错误;Q点氮气、氢气和氨气的物质的
量分数依次为 、 、 ,则Q点对应的压强平衡常数Kp= = =
(MPa)-2,C项正确;及时分离出氨气,氨气浓度降低,平衡正向移动,再结合v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)可知,及
时分离出氨气可同时提高合成氨反应速率和氨的平衡产率,D项正确。
第1讲 描述运动的基本概念
2.[2026辽宁沈阳二中月考]工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。
(1)一定温度下,在恒容密闭容器中充入一定量的N2和H2,发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0,下
列不能说明反应一定达到化学平衡状态的是_______。
A.N2与H2的转化率相等
B.容器内气体的质量不再改变
C.容器内的压强不再改变
D.2v正(N2)=v逆(NH3)
AB
第1讲 描述运动的基本概念
(2)合成氨生产流程示意图如下:
第1讲 描述运动的基本概念
已知:N2在铁触媒上的吸附分解反应活化能高。
①下列关于合成氨工艺的说法,正确的是_______。
A.合成氨反应ΔS>0
B.控制温度(400~500 ℃)远高于室温,是为了增大反应物平衡转化率和使其具有较快的化学反应速率
C.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率
D.将NH3液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
E.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,以防止催化剂中毒
②原料气中N2一般过量,原因为_______________________________________________________
________________________________________。
③原料气中若混有CO可用铜氨液除去,其反应为[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq)
ΔH<0。吸收CO后的铜氨液经过适当处理可再生,其再生的适宜生产条件是_____________。
DE
高温低压
N2在铁触媒上的吸附分解反应活化能高,N2过量可加快反应速率;
N2价廉易得,其过量可提高H2的转化率
第1讲 描述运动的基本概念
(3)向一密闭容器中充入0.25 mol N2和0.75 mol H2,下图是在其他条件不变时,不同温度(200 ℃、400
℃、600 ℃)、压强下,反应达平衡时混合物中NH3的物质的量分数的变化情况。
①曲线a对应的温度是__________。
②M点对应的H2的转化率为________。
75%
200 ℃
第1讲 描述运动的基本概念
(4)对于合成氨反应而言,下列有关图像一定正确的是_______(填字母)。
AB
第1讲 描述运动的基本概念
解析 (1)N2与H2的转化率是否相等取决于起始投料比,与反应是否达平衡状态无关,A符合题意;反应中
所有物质都是气体,反应前后气体质量始终不变,B符合题意;该反应反应前后气体物质的量发生变化,
在恒容密闭容器中发生该反应,若压强不再改变,可说明反应达到平衡状态,C不符合题意;2v正(N2)=v逆
(NH3),即v正(N2)∶v逆(NH3)=1∶2,表示不同的反应方向,且反应速率之比等于对应物质的化学计量数之
比,能说明反应达到平衡状态,D不符合题意。(2)①N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)是气体物质的量减小的反
应,ΔS<0,A错误;反应ΔH<0,高温不利于工业合成氨反应正向进行,控制温度(400~500 ℃)远高于室温是
为了兼顾催化剂活性和反应速率,B错误;恒温恒压下,充惰性气体,容器体积增大,参与反应的各气体的
分压减小,平衡逆向移动,反应物的平衡转化率降低,C错误;将NH3液化,不断将液氨移去,有利于反应正
向进行,D正确;原料气中的杂质会使催化剂中毒,需净化处理,E正确。③由题给反应可知,平衡逆向移动
可促进铜氨液再生,该反应为反应前后气体分子数减小的放热反应,高温低压条件有利于反应逆向进
行。(3)①合成氨反应的ΔH<0,其他条件相同时,温度越低,平衡体系中NH3的物质的量分数越高,故曲线
第1讲 描述运动的基本概念
a对应的温度最低,为200 ℃。②设M点NH3的物质的量为x mol,列三段式如下:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 0.25 0.75 0
转化/mol 0.5x 1.5x x
平衡/mol 0.25-0.5x 0.75-1.5x x
结合平衡时NH3的物质的量分数为60%,可列式: ×100%=60%,解得x=0.375,H2的
转化率为 ×100%=75%。(4)催化剂可加快反应速率,不改变平衡,故使用催化剂时达到平衡
所需时间短,但N2的平衡转化率不变,与图像相符,A正确;根据“先拐先平数值大”可知T2>T1,合成氨反
应的ΔH<0,当其他条件不变时温度越低产物NH3的体积分数越大,与图像相符,B正确;相同时间内,Δc(N
2)∶Δc(H2)∶Δc(NH3)=1∶3∶2,图像不符,C错误。
第1讲 描述运动的基本概念
题组二 工业情境中适宜生产条件的选择
3.[2025河南信阳期中]温度改变对催化剂活性有影响,评价催化剂的活性参数——空时收率和CH3
OOCCOOCH3的选择性可表示如下:
空时收率=
CH3OOCCOOCH3的选择性=
×100%
某学习小组以反应:2CO(g)+2CH3ONO(g) CH3OOCCOOCH3(l)+2NO(g) ΔH为研究对象,在不
同温度下,对四组其他条件都相同的反应进行研究,经过相同时间t小时,测得空时收率、CH3OOC-
COOCH3的选择性数据如表所示。
第1讲 描述运动的基本概念
组别 反应
温度(℃) 空时收率
(g·mL-1·h-1) CH3OOCCOOCH3
的选择性(%)
① 130 0.70 72.5
② 140 0.75 71.0
③ 150 0.71 55.6
④ 160 0.66 63.3
第1讲 描述运动的基本概念
下列说法正确的是 ( )
A.温度升高,空时收率先增大后减小,说明ΔH<0
B.温度升高,催化剂活性逐渐减弱,CH3OOCCOOCH3的选择性逐渐降低
C.130 ℃时,CH3OOCCOOCH3的选择性最高,说明CO的转化率最高
D.综合考虑空时收率和CH3OOCCOOCH3的选择性,工业生产CH3OOCCOOCH3时,选择140 ℃效果最好
D
第1讲 描述运动的基本概念
解析 根据题表数据,无法判断反应的焓变,A错误;根据题表数据,温度升高,CH3OOCCOOCH3的选择性
先降低后升高,B错误;130 ℃时,CH3OOCCOOCH3的选择性最高,只能说明此时的副反应较少,不能说明
CO的转化率最高,C错误;在140 ℃时空时收率达到最高,CH3OOCCOOCH3的选择性也较高,副反应较少,
因此工业生产CH3OOCCOOCH3时,选择140 ℃效果最好,D正确。
第1讲 描述运动的基本概念
4.[2025浙江台金七校联盟期中联考]将金红石(TiO2)转化为TiCl4是生产金属钛的关键步骤。在1.0×105
Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比为1∶2∶2进行反应,平衡体系中部分物质的物质的量分数(x)随温
度变化理论计算结果如图所示。
第1讲 描述运动的基本概念
下列说法不正确的是 ( )
A.200~1 600 ℃反应达到平衡时,TiO2的转化率均已接近100%
B.反应体系中可能发生的反应有:TiO2+2Cl2 TiCl4+O2、C+O2 CO2、C+CO2 2CO
C.1 000 ℃时,测得某时刻x(TiCl4)=0.2。其他条件不变,延长反应时间能使x(TiCl4)超过该温度下平衡时
的x(TiCl4)
D.实际生产时反应温度选择900 ℃而不选择200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,
生产效益更高
C
第1讲 描述运动的基本概念
解析 在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比为1∶2∶2进行反应,反应的化学方程式为TiO2+2C
+2Cl2 TiCl4+2CO;若题给3种反应物完全反应,体系中只存在产物TiCl4、CO,且物质的量之比为1∶
2,此时TiCl4的物质的量分数约为33.3%,结合图像可知,200~1 600 ℃反应达到平衡时,TiCl4的物质的量
分数均约为33.3%,则TiO2的转化率均已接近100%,A项正确。反应体系中可能存在反应:TiO2+2Cl2
TiCl4+O2,C+CO2 2CO,C+O2 CO2,温度较低时,CO2含量较高,CO含量较低,随温度升高x(CO2)减
小x(CO)增大,说明存在平衡C+CO2 CO,CO2由反应C+O2 CO2生成,O2由反应TiO2+2Cl2 TiCl
4+O2生成,B项正确。延长反应时间不能改变平衡时物质的转化率和产率,因此不可能超过该温度下平
衡时的x(TiCl4),C项不正确。温度越高反应速率越快,单位时间内产率越高,实际生产时反应温度选择90
0 ℃而不选择200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,生产效益更高,D项正确。
第1讲 描述运动的基本概念
创新题型
创新点 从合成氨反应的不同路径分析合成氨的适宜条件
5.[2026河南安阳调研]科学家提出一种非常规“交替—远端”混合电催化N2RR缔合机制实现高效合
成氨,原理如图。
第1讲 描述运动的基本概念
下列说法正确的是 ( )
A.若要提高合成氨反应的选择性,应优先选择交替路径
B.交替路径的N选择性高于远端路径
C.“交替—远端”混合路径结合了N2低活化能和N高选择性的优点
D.移位路径在反应历程中未涉及质子(H+)和电子(e-)的参与
C
第1讲 描述运动的基本概念
解析 根据题图中信息可知,远端路径中N选择性高,交替路径中N选择性低,要提高合成氨反应的选择
性,应优先选择远端路径,A、B错误;由题图知,“交替—远端”混合路径具备N2低活化能和N高选择性
的优点,C正确;由题图知,移位路径涉及质子(H+)和电子(e-)的参与,D错误。
第1讲 描述运动的基本概念
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