第四节 化学反应的调控
题组一 合成氨条件的选择
1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
2．(2022·广东肇庆市高二期中)合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述中，不正确的是( )
A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应
B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率
C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率
D．铁触媒的使用有利于提高合成氨的生产效率
题组二 以合成氨为背景的综合题
3．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )
选项 A B C D
研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
4.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ
B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)
D．升高温度，平衡常数K增大
5．相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述错误的是( )
A．化学反应速率：乙>甲
B．平衡后N2的浓度：乙>甲
C．H2的平衡转化率：乙>甲
D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙>甲
题组三 化学反应的调控
6．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是( )
A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气
B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量
C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强
D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
7．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是( )
A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
8．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
9.某研究小组为探究催化剂对尾气中CO、NO转化的影响，将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g) ΔH<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。下列说法正确的是( )
①两种催化剂均能降低反应的活化能，但ΔH均不变
②相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
③曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右
④a点的脱氮率是对应温度下的平衡脱氮率
⑤若低于200 ℃，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高变化不大的主要原因是催化剂的活性不高
A．①②③ B．①③④
C．②③④ D．①③⑤
10.CH4－CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝＋247 kJ·mol－1，同时存在以下反应：CH4(g)??C(s)＋2H2(g) ΔH＝＋75 kJ·mol－1(积碳反应),CO2(g)＋C(s)2CO(g) ΔH＝＋172 kJ·mol－1(消碳反应)，假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳
B．增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C．升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大
D．温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
11．(2022·江苏南通期中)一定条件下，将一定量的CO2和H2混合气体通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知：Ⅰ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41 kJ·mol－1
Ⅱ.CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－165 kJ·mol－1
在两种不同催化剂作用下反应相同时间，CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化关系如图所示(CH4选择性＝×100%)。
下列说法不正确的是( )
A．反应CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g) ΔH＝－206 kJ·mol－1
B．在280 ℃条件下反应制取CH4，选择催化剂A的效果较好
C．260～300 ℃间，使用催化剂A或B，升高温度时CH4的产率都增大
D．M点可能是该温度下的平衡点，延长反应时间，不一定能提高CH4的产率
12．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＝＋41.1 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(g)的产率，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 ℃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[]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2.0 L的恒容密闭容器中加入6 mol H2、2 mol CO2和催化剂，10 min时反应达到平衡，测得c(CH3OH)＝0.75 mol·L－1。
①前10 min内平均反应速率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，得到的四组实验数据如表所示：
实验编号 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)。
13．(2022·陕西眉县高二期中)CO2可用来生产燃料甲醇：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－ 49 kJ·mol－1。在体积为1 L的恒容密闭容器中，充入1 mol CO2和2 mol H2，一定条件下发生上述反应，测得CH3OH(g)浓度随时间的变化如表所示：
时间/min 0 3 5 10 15
浓度/(mol·L－1) 0 0.3 0.45 0.5 0.5
(1)H2的平衡转化率为________。该条件下上述反应的平衡常数K＝________。
(2)下列措施中能使平衡体系中增大且不减慢化学反应速率的是________(填字母)。
A．升高温度
B．充入He(g)，使体系压强增大
C．再充入1 mol H2
D．将H2O(g)从体系中分离出去
(3)当反应达到平衡时，H2的物质的量浓度为c1，然后向容器中再加入一定量H2，待反应再一次达到平衡后，H2的物质的量浓度为c2，则c1________(填“>”“＜”或“＝”)c2。
(4)要提高CO2的转化率，可以采取的措施是____(填字母)。
A．加入催化剂
B．增大CO2的浓度
C．通入惰性气体
D．通入H2
E．分离出甲醇
(5)在使用不同催化剂时，相同时间内测得CO2的转化率随温度的变化如图所示。
则催化效果最佳的是催化剂____(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。如果a点已经达到平衡状态，则b点的v正_____(填“>”“<”或“＝”)v逆，c点转化率比a点低的原因是______________。
14．(2022·莱州市高二检测)Ⅰ.“丁烯裂解法”是一种重要的丙烯生产法，生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下：
主反应：3C4H84C3H6；
副反应：C4H82C2H4。
测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(w%)随温度(T)和压强(p)变化的趋势分别如图1和图2所示：
(1)平衡体系中的丙烯和乙烯的质量比[]是工业生产丙烯时选择反应条件的重要指标之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，从图1和图2中表现的趋势来看，下列反应条件最适宜的是________(填字母)。
A．300 ℃ 0.1 MPa B．700 ℃ 0.1 MPa
C．300 ℃ 0.5 MPa D．700 ℃ 0.5 MPa
(2)有研究者结合图1数据并综合考虑各种因素，认为450 ℃的反应温度比300 ℃或700 ℃更合适，从反应原理角度分析其理由可能是____________________________________
________________________________________________________________________。
(3)图2中，随压强增大，平衡体系中丙烯的质量分数呈上升趋势，从平衡角度解释其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.353 K时，在刚性容器中充入CH3OH，发生反应：CH3OHCO＋2H2 ΔH>0。体系的总压强p随时间t的变化如表所示。
t/min 0 5 10 15 20 ∞
p/kPa 101.2 107.4 112.6 116.4 118.6 121.2
(4)若升高反应温度至373 K，则CH3OH分解后体系压强p∞________(填“大于”“小于”或“等于”)121.2 kPa，原因是_________________________________。
(5)353 K时，当该反应达到平衡后，继续充入少量CO(g)，反应经过一段时候后重新达到平衡，此时与旧平衡相比，CH3OH的体积分数________(填“增大”“减小”或“不变”)。
第四节 化学反应的调控
1．B 2.C 3.C
4．C [该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。]
5．D [因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确；假设开始时乙容器的体积是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)，
则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项正确、D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3的浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。]
6．B 7.B 8.B
9．D [①催化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的ΔH，正确；②该反应为气体分子数减小的反应，改变压强平衡发生移动，则改变压强对脱氮率有影响，错误；③由图可知，曲线Ⅱ中450 ℃左右脱氮率最大，则曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右，正确；④因为该反应是放热反应，降低温度，平衡正向移动，则a点对应温度下的平衡脱氮率应大于450 ℃下的脱氮率，错误；⑤催化剂的活性受温度的影响，则低于200 ℃时，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高变化不大的主要原因是催化剂的活性不高，正确。]
10．B
11．D [根据盖斯定律反应Ⅱ－反应Ⅰ可得CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g) ΔH＝
－165 kJ·mol－1－(＋41 kJ·mol－l)＝－206 kJ·mol－1，A正确；据图可知在280 ℃条件下反应，使用催化剂A时CH4的选择性更高，B正确；由图可知，260～300 ℃间，使用催化剂A或B，升高温度时CO2的转化率都增大，CH4的选择性都增大，则产率都增大，C正确；据图可知选用催化剂A时，在与M点相同温度条件下，CO2有更高的转化率，而催化剂不影响平衡，说明M点一定不是平衡点，D错误。]
12．(1)3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.9 kJ·mol－1 (2)d (3)CO2
(4)①0.225 ② ③B
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＝－48.9 kJ·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。(3)图中的横坐标为，假设n(CO2)为定值，则CO2的平衡转化率随n(H2)的增大而增大，故反应物X为CO2。(4)①CH3OH(g)的浓度变化量为0.75 mol·L－1，则：
3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
起始/(mol·L－1) 3 1 0 0
转化/(mol·L－1) 2.25 0.75 0.75 0.75
平衡/(mol·L－1) 0.75 0.25 0.75 0.75
H2的浓度变化量为2.25 mol·L－1，则前10 min内平均反应速率v(H2)＝0.225 mol·L－1·min－1。②K＝＝＝。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。
13．(1)75% 4 (2)C (3)＜ (4)DE
(5)Ⅰ ＞ 该反应放热，温度升高，平衡逆向移动
14．(1)C
(2)450 ℃比300 ℃的反应速率快，比700 ℃的副反应程度小；该温度下丁烯转化为丙烯的转化率高；该温度下催化剂的选择性最高；该温度是催化剂的活性温度
(3)压强增大，生成乙烯的副反应平衡逆向移动，丁烯浓度增大，导致主反应的平衡正向移动，从而使丙烯的含量增大
(4)大于 CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的正反应为气体体积增大的吸热反应，温度升高，平衡右移，气体总物质的量增大，容器体积不变，总压强变大 (5)减小
