第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
基础过关练
题组一 合成氨条件的选择
1.(2024辽宁沈阳部分学校期中)合成氨工业的主要反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0,在密闭容器中进行。下列说法正确的是 ( )
A.其他条件不变,及时分离出NH3,会降低NH3的产率
B.使用催化剂可使N2的转化率达到100%
C.其他条件不变,增大压强不仅能提高反应物的转化率,还能缩短达到平衡的时间
D.其他条件不变,温度越高,氨气的产率越高
2.下列有关合成氨工业的说法正确的是 ( )
A.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应,在低温或常温下可自发进行
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最高
D.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
3.(2024广东揭阳期中)工业合成氨的流程如图所示,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”既可以提高原料的平衡转化率,又可以加快反应速率
C.步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D.产品液氨除可用来生产化肥外,还可用作制冷剂
题组二 化学反应的调控
4.(2024北京第二中学模拟)某化工厂生产硝酸的流程如图1所示;其他条件相同时,装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图2所示。下列说法不正确的是 ( )
图1
图2
A.该流程中,①③④发生了氧化还原反应
B.②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离
C.③中最佳反应条件是铂网成分为纯铂、温度为900 ℃
D.④中通入过量空气可以提高硝酸的产率
5.(经典题)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/%
0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa
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
能力提升练
题组一 工业合成氨条件的选择与分析
1.(2023山西大学附中月考)工业合成氨反应包含多个基元反应,其反应机理如图所示,已知各物种在催化剂表面吸附放出能量。下列说法错误的是 ( )
A.从充入反应物到A处,表示N2、H2在催化剂表面吸附放热
B.B→C过程决定了总反应的速率
C.工业合成氨温度为700 K左右,原因之一是催化剂在此温度下活性较高
D.提高催化剂的活性能减小反应热
2.合成氨的化学反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 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
题组二 工业情境中适宜生产条件的选择
3.(2024山西太原第二十一中学期中)二十世纪初,工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素[CO(NH2)2]。反应均可逆且分两步进行:①CO2(l)+2NH3(l) NH2COONH4(l),②NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l),反应过程的能量变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.升高温度,可分离得到更多的NH2COONH4
B.随着反应的进行, NH2COONH4的量会持续增大
C.增大,能增大CO2的平衡转化率
D.合成尿素反应CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l)的ΔH=E1-E4
4.(2024安徽淮北一中期中)在一定的温度和压强下,将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性(CH4选择性=×100%)随温度的变化如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的产量基本不变
B.延长W点的反应时间,一定能提高CO2的转化率
C.反应CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)在任何温度下均不能自发进行
D.选择合适的催化剂有利于提高CH4的选择性
5.(教材深研拓展)合成氨工业的发展体现了化学科学与技术的不断进步。
(1)用氮气、碳化钙(CaC2)与水蒸气反应制备氨:
ⅰ.碳化钙和氮气在1 000 ℃的高温下产生CaCN2;
ⅱ.CaCN2与水蒸气反应生成氨气。
写出反应ⅱ的化学方程式: 。
(2)以N2和H2为原料直接合成氨。其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。
①N2的化学性质稳定,即使在高温、高压下,N2和H2的反应仍然进行得十分缓慢。从分子结构角度解释原因: (已知:一般,键能越大,物质的稳定性越强)。
②压强对合成氨反应有较大影响。不同压强下,以物质的量分数x(H2)=0.75、x(N2)=0.25进料(组成1),反应达平衡时,氨气的物质的量分数x(NH3)与温度的关系如图。
ⅰ.判断压强:p1 p2(填“>”或“<”),简述理由: 。
ⅱ.在p1、x(NH3)=0.20时,氮气的转化率为 。
ⅲ.合成氨原料气中存在不参与反应的Ar时会影响NH3的平衡含量。在p1时,以物质的量分数x(H2)=0.675、x(N2)=0.225、x(Ar)=0.10进料(组成2),反应达平衡时x(NH3)与温度的关系与组成1相比有一定变化,在上图中用虚线画出相应曲线。
(3)我国科学家研制出Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,纳米Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃),解决了温度对合成氨工业反应速率和平衡转化率影响矛盾的问题,其催化合成氨机理如图所示。
分析解释:与传统的合成氨(铁触媒、400~500 ℃)相比,Fe-TiO2-xHy双催化剂双温催化合成氨具备优势的原因是 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 2.A 3.C 4.C 5.C
1.C 及时分离出NH3,平衡正向移动,有利于生成NH3,使NH3的产率增大,A错误;催化剂不能改变平衡转化率,且为可逆反应,则N2的转化率一定小于100%,B错误;增大压强,反应速率加快,达到平衡的时间缩短,平衡正向移动,可提高反应物的转化率,C正确;合成氨反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,氨气的产率降低,D错误。
2.A 根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应可以自发进行,该反应的ΔH<0、ΔS<0,所以在低温或常温下可自发进行,A正确;恒容条件下充入稀有气体,参与反应的各物质的浓度没有改变,则平衡不移动,对氨气的合成没有影响,B错误;合成氨的反应是气体分子数减小的反应,高压有利于平衡向正反应方向移动,且能提高正反应速率,跟催化剂的活性无关,C错误;N2的量越多,H2的转化率越大,但并不是N2的量越多越好,D错误。
3.C 合成氨使用铁触媒催化剂,为防止催化剂中毒,必须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,可加快合成氨反应速率,又能使平衡右移,提高原料的平衡转化率,B项正确;步骤③不能提高原料的平衡转化率,步骤④、⑤有利于提高原料的平衡转化率,C项错误;产品液氨可用酸吸收生产铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量热,可用作制冷剂,D项正确。
4.C 该流程中,①中发生N2、H2合成氨的反应,③中存在氨的催化氧化反应,④中氮的氧化物被氧化成HNO3,因此均发生了氧化还原反应,A正确;②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离,B正确;③中最佳反应条件是铂网成分为含10%铑的铂、温度为900 ℃,C错误;④中通入过量空气,可使氮的氧化物充分反应,可以提高硝酸的产率,D正确。
5.C 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。
能力提升练
1.D 2.B 3.C 4.D
1.D 从充入反应物到A处,能量降低,表示N2、H2在催化剂表面吸附放热,A正确;决定总反应速率的是慢反应,活化能越大反应越慢,据图可知,B→C过程的活化能最大,决定了总反应的速率,B正确;工业合成氨温度为700 K左右,一个重要原因是催化剂在此温度下活性较高,可提高催化效率,C正确;催化剂改变反应速率,但是不能改变反应热,D错误。
2.B 由题图可以看出,Fe结合了活性氮原子参与了反应,后又生成Fe,反应前后Fe的质量和化学性质不变,故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。
3.C 反应①放热、反应②吸热,升高温度,反应①逆向移动,反应②正向移动,不能得到更多的NH2COONH4,A错误;活化能越大,化学反应速率越慢,反应①活化能小,反应①的化学反应速率快,NH2COONH4的量先增大后减小,B错误;增大,能增大CO2的平衡转化率,C正确;反应①的ΔH=E1-E2,反应②的ΔH=E3-E4,根据盖斯定律①+②得CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E2+E3-E4,D错误。
4.D 在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,由题图可知,升高温度甲烷的选择性基本不变,但二氧化碳的转化率升高,则甲烷的产量增大,A错误;W点可能为平衡点,延长反应时间二氧化碳转化率不变,B错误;由盖斯定律可得:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH=-206 kJ·mol-1,该反应的ΔH<0、ΔS<0,低温时可自发进行,C错误;由题图可知,相同时间内以Ni为催化剂,CH4的选择性低于同温度下以Ni-CeO2为催化剂时CH4的选择性,因此选择合适的催化剂有利于提高CH4的选择性,D正确。
5.答案 (1)CaCN2+3H2O(g) CaCO3+2NH3
(2)①N2中含,键能大,难断裂 ②ⅰ.< 合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应,相同温度下,增大压强,平衡正向移动,氨的物质的量分数增大 ⅱ.33.3%
ⅲ.
(3)、H—H在“热Fe”表面易断裂,有利于提高合成氨反应的化学反应速率;“冷TiO2-xHy”低于体系温度,在“冷TiO2-xHy”表面生成氨气,有利于提高氨的平衡产率
解析 (1)CaCN2与水蒸气反应生成氨气和碳酸钙。
(2)①N2中含,键能大,难断裂,因此即使在高温、高压下,N2和H2的反应仍然进行得十分缓慢。②ⅰ.合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应,相同温度下,增大压强,平衡正向移动,氨的物质的量分数增大,所以p1
起始量/mol 1 3 0
变化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
在p1、x(NH3)=0.20时,x(NH3)==0.20,解得x=,N2的转化率为33.3%。
ⅲ.在相同温度和压强下,充入稀有气体Ar,参与反应的各组分的浓度减小,化学平衡要向着气体分子数增大的方向移动,即逆向移动,平衡时氨的物质的量分数减小。
