第2章第4节化学反应条件的优化工业合成氨.docx
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第2章第4节化学反应条件的优化工业合成氨
第2章化学反应的方向、限度与速率
第4节化学反应条件的优化——工业合成氨
1．对于合成氨反应，N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）ΔH＜0，达到平衡后，以下分析正确的是（ ）
A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
解析：
A.升高温度正逆反应速率都增大，平衡向逆反应方向移动，说明温度对逆反应速率影响较大；B.增大压强，平衡正向移动，则压强对正反应速率影响较大；C.减小反应物浓度，逆反应速率不变；D.加入催化剂，对正逆反应速率影响相同。
答案：
B
2．对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是（ ）
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
B．都对化学平衡状态有影响，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，只有压强对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用
解析：
对化学反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g），催化剂和高压均能缩短达到平衡的时间，但只有高压可使平衡向生成NH3的方向移动，催化剂不影响平衡。
答案：
C
3．接触法制硫酸工艺中，其主要反应2SO2（g）＋O2（g）
2SO3（g） ΔH<0，在450℃并有催化剂存在条件下建立平衡，为使该反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是（ ）
A．及时分离出SO3气体
B．选择高效的催化剂
C．适当升高温度
D．增大O2的浓度
解析：
增大O2浓度可加速反应的进行，并使平衡向正反应方向移动。
答案：
D
4．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。
达到平衡时混合物中NH3的含量为（体积分数）[入料V（N2）∶V（H2）＝1∶3]：
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________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________。
A．高温高压 B．高温低压
C．低温高压D．低温低压
（3）计算500℃，30MPa时N2的转化率________。
（4）实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取了一些措施。
请写出其中的一个措施：
_____________________________________________________。
解析：
（3） N2 ＋ 3H2
2NH3
起始130
转化n3n2n
平衡1－n3－3n2n
×100%＝26.4%
n＝0.4177
故N2的转化率为×100%＝41.77%。
答案：
（1）左（或逆反应） 放热
（2）C （3）41.77% （4）加入过量的N2（或及时从平衡混合物中移走NH3）
时间：
40分钟
[A级 基础巩固]
基础题Ⅰ
1．在密闭容器中，合成氨的反应N2＋3H2
2NH3，现将2molN2和2molH2通入该容器中反应，20s后生成0.8mol的NH3，则H2的转化率是多少（ ）
A．70% B．60% C．50% D．40%
解析：
本题可以依据“三段式”法列式计算。
设经过20sN2转化了xmol，则有：
N2 ＋ 3H2
2NH3
起始：
2mol 2mol 0
转化：
xmol3xmol2xmol
20s后：
（2－x）mol（2－3x）mol2xmol
根据题意20s后生成0.8mol的NH3，则有2x＝0.8mol，x＝0.4mol，所以H2的转化率是：
×100%＝60%。
答案：
B
2．对于可逆反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g） ΔH<0，下列说法中正确的是（ ）
A．达到平衡后加入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小
B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率
C．达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率
D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大了，而逆反应速率减小了
答案：
C
3.反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g） ΔH<0在某一时间段中反应速率与反应过程的曲线关系如图所示，则氨的百分含量最高的一段时间段是（t1～t6，只改变了温度或压强）（ ）
A．t0～t1 B．t2～t3
C．t3～t4D．t5～t6
解析：
此题考查了对速率—时间图象的分析。
化学平衡时v（正）＝v（逆），氨的百分含量不变。
t1～t2、t4～t5，v（逆）大于v（正），平衡向左移动，致使氨的百分含量减少。
所以氨的百分含量最高时是t0～t1。
答案：
A
4．工业合成氨的反应是放热反应，下列关于N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）反应的图象中，错误的是（ ）
解析：
合成氨的正反应是放热反应，升温，正、逆反应速率都增大，但逆反应增大的程度大，A正确；在T1时NH3%最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，NH3%减小，B正确，C错误；增大压强，平衡向右移动，NH3%增大，D正确。
答案：
C
5．合成氨的温度和压强通常控制在约500℃以及2×107～5×107Pa的范围，且进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3，经科学实验测定，在相应条件下，N2和H2反应所得NH3的平衡浓度（体积分数）如下表所示，而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明（ ）
2×107Pa
5×107Pa
500℃
19.1
42.2
A.表中所测数据有明显误差
B．生产条件控制不当
C．氨的分解速率大于预测值
D．合成塔中的反应并未达到平衡
答案：
D
基础题Ⅱ
6．有平衡体系：
CO（g）＋2H2（g）
CH3OH（g） ΔH<0，为了增加甲醇（CH3OH）的产量，应采用的正确措施是（ ）
A．高温、高压
B．适宜温度、高压、催化剂
C．低温、低压
D．高温、高压、催化剂
解析：
A.此反应为放热的反应，高温条件下使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故A错误；B.适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，此反应为体积减小的反应，故高压下使反应正向移动，故B正确；C.低压下，平衡逆向移动，不利于甲醇的产出，故C错误；D.温度过高，使反应逆向进行，甲醇的产率减小，故D错误。
答案：
B
7．工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：
N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g） ΔH＝－92.44kJ·mol－1，其部分工艺流程如下图所示：
反应体系中各组分的部分性质见下表：
气体
氮气
氢气
氨
熔点/℃
－210.01
－252.77
－77.74
沸点/℃
－195.79
－259.23
－33.42
回答下列问题：
（1）写出该反应的化学平衡常数表达式：
K＝________。
随着温度升高，K值______（填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）平衡常数K值越大，表明________（填字母）。
A．N2的转化率越高
B．NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高
D．化学反应速率越快
（3）合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业上采取气体循环的流程。
即反应后通过把混合气体的温度降低到________使__________分离出来；继续循环的气体是________。
解析：
（1）由方程式N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）不难写出：
K＝，根据此反应ΔH<0，说明正反应为放热反应，升高温度平衡向吸热方向移动，即向左移动，[NH3]减小，[N2]和[H2]增大，故K减小。
（2）平衡常数K值越大，说明[NH3]越大，[N2]和[H2]就越小，说明反应进行的程度大，故N2的转化率就越高，NH3的产率就越大（注：
产率是指实际产生的NH3与理论产生的NH3的物质的量之比）。
（3）根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N2和H2循环使用，以提高产率。
答案：
（1） 减小
（2）AB
（3）－33.42℃ 氨 N2和H2
[B级 能力提升]
8．合成氨反应在工业生产中的大量运用，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——氨。
合成氨反应是一个可逆反应：
N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）。
在298K时：
ΔH＝－92.2kJ·mol－1，K＝4.1×106（mol·L－1）－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采取700K左右的温度的原因：
_____________________________________________________。
（3）298K，1.01×105Pa，在10L密闭容器中充入10mol氮气、30mol氢气和20mol氨气，开始的瞬间，反应向________（选填“正”或“逆”）方向进行，反应进行5min后体系能量的变化为________（选填“吸收”或“放出”）184.4kJ，容器内压强变为原来的________倍。
（4）从开始至5min时，用N2浓度变化表示该反应的平均速率为____________。
解析：
（3）依据Q＝[（20mol/10L）2]/[（10mol/10L）·（30mol/10L）3]＝4/27（mol·L－1）－2 N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）
起始量/mol 10 30 20
转化量/mol 2 6 4
5min时/mol 8 24 24
故5min时气体总物质的量为56mol，容器内压强变为原来的56/60＝14/15。
（4）v（N2）＝（2mol/10L）/5min＝0.04mol·L－1·min－1。
答案：
（1）使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反应速率，提高单位时间内的产量
（2）在该温度下，催化剂的活性最高，速率较大，反应的限度虽然有所降低，但综合分析，单位时间内的产量还是最理想的 （3）正 放出 14/15
（4）0.04mol·L－1·min－1
9．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。
压强及温度对SO2转化率的影响如下表所示（原料气各成分的体积分数为SO27%，O211%，N282%）：
0.1
0.5
1
10
400
99.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
（1）已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？
______________________________________________________。
（2）在400～500℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是_________________________________________________。
（3）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？
________（选填“是”或“否”），是否可以增大该反应所放出的热量？
________（选填“是”或“否”）。
（4）为提高SO3吸收率，实际生产中用________吸收SO3。
（5）已知：
2SO2（g）＋O2（g）
2SO3（g） ΔH＝－196.6kJ·mol－1，计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。
答案：
（1）压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应
（2）增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加生产成本
（3）否 否
（4）浓硫酸
（5）8.0×103t 9.8×109kJ
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