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课后·训练提升
基础巩固
1.合成氨工业中既能增大反应速率,又能提高氨的产率的方法是( )。
①减小压强 ②增大压强 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥分离出NH3后的N2、H2加压后输入合成塔 ⑦加催化剂
A.①④⑤⑦ B.③⑤
C.②⑥ D.②③⑥⑦
答案:C
解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的特点为可逆、放热、气体体积减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率增大,可以增大压强或反应物浓度。
2.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
研究 结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响
图示
研究 结果 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
答案:C
解析:A项,由于p1条件先达到平衡,故p1>p2,由p1→p2,减小压强,化学平衡左移, NH3的体积分数应降低,错误;B项,由于此反应ΔH<0,故升温平衡左移,N2的转化率降低,错误;C项,增大N2的量,会使正反应速率瞬间增大,化学平衡右移,正确;D项,使用催化剂,能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,错误。
3.一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较( )。
A.a大 B.b大
C.a、b一样大 D.无法判断
答案:A
解析:先假设a容器开始时也保持容积不变,达到平衡时,容器a中N2的转化率α(a)与容器b中N2的转化率α(b)相等,即α(a)=α(b)。但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强,必须缩小容器a的容积,则平衡正向移动。因此再达平衡时,N2的转化率α1(a)变大了。即α1(a)>α(a),则α1(a)>α(b)。
4.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.缩小容器容积,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
答案:B
解析: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项错误;缩小容器容积即增大压强,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项正确;减小c(H2O)时正反应速率瞬间不变,v逆减小,平衡正向移动,C项错误;升高温度,平衡逆向移动,CO的平衡转化率降低,D项错误。
5.德国化学家哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。下列所示是哈伯法的流程图,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
答案:B
解析:②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动,提高转化率。
6.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M变为N时,平衡常数K(M)
D.升高温度,平衡常数K增大
答案:C
解析: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M到状态N,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。
7.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是( )。
A. B.
C. D.
答案:A
解析:设起始时H2为a mol、N2为b mol,平衡时NH3为x mol,则
3H2 + N2 2NH3
起始/mol a b 0
平衡/mol a- b- x
依题意可得:×100%=25%
化简得:
解得:,即反应后减小的气体的物质的量与原反应物的总物质的量之比为。根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比为。
8.在反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中,当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时,下列说法正确的是( )。
A.t1时刻后的速率变化如图所示
B.t1时刻后达到新平衡前Q>K
C.新平衡体系中NH3的含量增大
D.N2的平衡转化率增大
答案:D
解析:分离出NH3,使体系中NH3的含量减小,则达到新平衡前Qv逆,平衡向正反应方向移动,故N2的平衡转化率增大。
9.2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔化学奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。
化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*
表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;
NH2*+H*NH3*
脱附:NH3*NH3(g)
其中,N2吸附分解反应活化能高、速率小,决定了合成氨的整体反应速率。请回答下列问题。
(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773 K,压强3.0×107 Pa,原料中N2和H2的物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由:
、 。
(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是 (填字母)。
A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.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
C.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
D.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”
答案:(1)AD
(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率 N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,适度过量有利于提高整体反应速率
(3)ACD
解析:(1)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,低温有利于平衡正向移动,提高平衡产率,A项正确、B项错误;低压平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,C项错误、D项正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高平衡产率,E项错误。
(3)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,该反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A项正确;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C项正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得到的,原料气须经过净化处理,以防止催化剂“中毒”,D项正确。
能力提升
1.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是( )。
A.正反应速率:M
C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,n(H2)比图中Q点的n(H2)大
答案:D
解析:由图可以看出, N2与H2反应生成NH3,点M处比点N处的n(H2)大,点M处的正反应速率大,A项错误;P点处n(NH3)=n(H2),还没有达到平衡,B项错误;t1时已经达到平衡,点Q(t1时刻)处和点R(t2时刻)处n(N2)相同,C项错误;500 ℃高于400 ℃,升温,平衡逆向移动,t1时刻n(H2)在500 ℃时比在400 ℃时的大,D项正确。
2.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小,消碳反应的化学反应速率增大,积碳量减少
答案:B
解析:反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)和CH4(g)C(s)+2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应,增大压强,平衡均逆向移动,可减少积碳量,但CH4的平衡转化率降低,A项错误;假设CH4的物质的量不变,增大CO2的物质的量,CO2与CH4的物质的量之比增大,对于反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),平衡正向移动,CH4的浓度减小,对于积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g),由于甲烷浓度减小,平衡逆向移动,碳含量减少,对于消碳反应CO2(g)+C(s)2CO(g),平衡正向移动,碳含量减少,综上分析,增大CO2与CH4的物质的量之比,有助于减少积碳,B项正确;平衡常数只与温度有关,积碳反应和消碳反应都是吸热反应,升高温度,平衡均正向移动,两个反应的平衡常数都增大,C项错误;根据图像,温度高于600 ℃,积碳量减少,但温度升高,体系中所有反应的反应速率都增大,D项错误。
3.甲醇-水蒸气重整制氢(SRM)是获取理想氢能源的有效方法。重整过程发生的反应如下:
反应Ⅰ:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+92 kJ·mol-1
在常压、催化剂下,向密闭容器中充入1 mol CH3OH和1.2 mol H2O的混合气体,t时刻测得CH3OH转化率及CO、CO2的选择性随温度的变化情况如图所示(曲线a为CO2的选择性),下列说法正确的是( )。
A.曲线b为CO的选择性
B.图中270 ℃时,容器中的H2(g)约为2.744 mol
C.选择300 ℃作为反应温度比较适宜
D.选用CO2选择性较高的催化剂有利于提高CH3OH的平衡转化率
答案:B
解析:从图中可知,270 ℃时,CO2的选择性为80%,则CO的选择性为20%,故曲线c为CO的选择性,A项错误;从图中可知,270 ℃时,甲醇的转化率为98%,CO、CO2的选择性分别为20%和80%,由反应可知容器中H2(g)约为1 mol×98%×(20%×2+80%×3)=2.744 mol,B项正确;从图中可知260 ℃时甲醇转化率已经很大,且二氧化碳的选择性较大,故选择260 ℃作为反应温度比较适宜,C项错误;催化剂无法改变CH3OH的平衡转化率,D项错误。
4.在一定条件下,将10 mol H2和1 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是( )。
①15% ②25% ③35% ④45%
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
答案:A
解析:利用极值法分析。对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3 mol。事实上,N2不可能完全转化,因而消耗H2的物质的量小于3 mol,故H2的最大转化率为α最大(H2)<×100%=30%,①②都有可能。
5.已知工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。改变反应条件,会使平衡发生移动。右图表示随条件改变氨气的百分含量的变化趋势。
当横坐标为压强时,变化趋势正确的是 (填字母,下同),当横坐标为温度时,变化趋势正确的是 。
答案:b a
解析:增大压强,平衡正向移动,b正确;升高温度,平衡逆向移动,a正确。
6.CO2可用来生产燃料甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1。在容积为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小化学反应速率的是 (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的平衡转化率,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 。
答案:(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
解析:(1)根据表中数据,甲醇平衡时的浓度为0.5 mol·L-1,依据反应的化学方程式可知,达到平衡时,消耗氢气的浓度为0.5 mol·L-1×3=1.5 mol·L-1,氢气的平衡转化率为×100%=75%,达到平衡时c(CH3OH)=c(H2O)=0.5 mol·L-1, c(CO2)=1 mol·L-1-0.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,c(H2)=2 mol·L-1-1.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,平衡常数K==4。
(2)该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量减小,二氧化碳的物质的量增大,该比值减小,故A不符合题意;恒容状态下,充入He(g),体系压强增大,但各组分浓度不变,化学平衡不移动,该比值不变,故B不符合题意;再充入1 mol氢气,浓度增大,反应速率增大,增加反应物浓度,平衡向正反应方向移动,甲醇物质的量增大,二氧化碳物质的量减小,该比值增大,故C符合题意;将水蒸气从体系中分离出来,化学反应速率减小,故D不符合题意。
(3)达到平衡时,再通入氢气,虽然平衡向正反应方向移动,但氢气浓度比原平衡大,即c1
(5)根据题图可知,相同温度下,催化剂Ⅰ的催化效果最佳;a点达到平衡,加入催化剂,对化学平衡移动无影响,b点没有达到平衡,二氧化碳转化率增大,说明反应向正反应方向进行,即v正>v逆;a点达到平衡,c点也是平衡点,但c点温度高于a点,该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳转化率降低。
7.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(体积分数)的变化情况。[投料V(N2)∶V(H2)=1∶3]
氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 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 。
A.高温高压 B.高温低压
C.低温高压 D.低温低压
(3)500 ℃和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: 。
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(如铁触媒)
解析:(1)表中数据表明:恒压时,升高温度,NH3的体积分数减小,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,此时平衡正向移动,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)增大反应物浓度或减小产物浓度有利于平衡正向移动;低温时虽然有利于化学反应正向进行,但速率较小,为增大化学反应速率,500 ℃时加入合适的催化剂 (如铁触媒),既增大化学反应速率,又使铁的催化剂性能最好。
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课后·训练提升
基础巩固
1.合成氨工业中既能增大反应速率,又能提高氨的产率的方法是( )。
①减小压强 ②增大压强 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥分离出NH3后的N2、H2加压后输入合成塔 ⑦加催化剂
A.①④⑤⑦ B.③⑤
C.②⑥ D.②③⑥⑦
答案:C
解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的特点为可逆、放热、气体体积减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率增大,可以增大压强或反应物浓度。
2.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
研究 结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响
图示
研究 结果 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
答案:C
解析:A项,由于p1条件先达到平衡,故p1>p2,由p1→p2,减小压强,化学平衡左移, NH3的体积分数应降低,错误;B项,由于此反应ΔH<0,故升温平衡左移,N2的转化率降低,错误;C项,增大N2的量,会使正反应速率瞬间增大,化学平衡右移,正确;D项,使用催化剂,能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,错误。
3.一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较( )。
A.a大 B.b大
C.a、b一样大 D.无法判断
答案:A
解析:先假设a容器开始时也保持容积不变,达到平衡时,容器a中N2的转化率α(a)与容器b中N2的转化率α(b)相等,即α(a)=α(b)。但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强,必须缩小容器a的容积,则平衡正向移动。因此再达平衡时,N2的转化率α1(a)变大了。即α1(a)>α(a),则α1(a)>α(b)。
4.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.缩小容器容积,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
答案:B
解析: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项错误;缩小容器容积即增大压强,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项正确;减小c(H2O)时正反应速率瞬间不变,v逆减小,平衡正向移动,C项错误;升高温度,平衡逆向移动,CO的平衡转化率降低,D项错误。
5.德国化学家哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。下列所示是哈伯法的流程图,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
答案:B
解析:②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动,提高转化率。
6.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M变为N时,平衡常数K(M)
D.升高温度,平衡常数K增大
答案:C
解析: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M到状态N,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。
7.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是( )。
A. B.
C. D.
答案:A
解析:设起始时H2为a mol、N2为b mol,平衡时NH3为x mol,则
3H2 + N2 2NH3
起始/mol a b 0
平衡/mol a- b- x
依题意可得:×100%=25%
化简得:
解得:,即反应后减小的气体的物质的量与原反应物的总物质的量之比为。根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比为。
8.在反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中,当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时,下列说法正确的是( )。
A.t1时刻后的速率变化如图所示
B.t1时刻后达到新平衡前Q>K
C.新平衡体系中NH3的含量增大
D.N2的平衡转化率增大
答案:D
解析:分离出NH3,使体系中NH3的含量减小,则达到新平衡前Q
9.2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔化学奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。
化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*
表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;
NH2*+H*NH3*
脱附:NH3*NH3(g)
其中,N2吸附分解反应活化能高、速率小,决定了合成氨的整体反应速率。请回答下列问题。
(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773 K,压强3.0×107 Pa,原料中N2和H2的物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由:
、 。
(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是 (填字母)。
A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.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
C.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
D.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”
答案:(1)AD
(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率 N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,适度过量有利于提高整体反应速率
(3)ACD
解析:(1)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,低温有利于平衡正向移动,提高平衡产率,A项正确、B项错误;低压平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,C项错误、D项正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高平衡产率,E项错误。
(3)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,该反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A项正确;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C项正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得到的,原料气须经过净化处理,以防止催化剂“中毒”,D项正确。
能力提升
1.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是( )。
A.正反应速率:M
C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,n(H2)比图中Q点的n(H2)大
答案:D
解析:由图可以看出, N2与H2反应生成NH3,点M处比点N处的n(H2)大,点M处的正反应速率大,A项错误;P点处n(NH3)=n(H2),还没有达到平衡,B项错误;t1时已经达到平衡,点Q(t1时刻)处和点R(t2时刻)处n(N2)相同,C项错误;500 ℃高于400 ℃,升温,平衡逆向移动,t1时刻n(H2)在500 ℃时比在400 ℃时的大,D项正确。
2.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小,消碳反应的化学反应速率增大,积碳量减少
答案:B
解析:反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)和CH4(g)C(s)+2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应,增大压强,平衡均逆向移动,可减少积碳量,但CH4的平衡转化率降低,A项错误;假设CH4的物质的量不变,增大CO2的物质的量,CO2与CH4的物质的量之比增大,对于反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),平衡正向移动,CH4的浓度减小,对于积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g),由于甲烷浓度减小,平衡逆向移动,碳含量减少,对于消碳反应CO2(g)+C(s)2CO(g),平衡正向移动,碳含量减少,综上分析,增大CO2与CH4的物质的量之比,有助于减少积碳,B项正确;平衡常数只与温度有关,积碳反应和消碳反应都是吸热反应,升高温度,平衡均正向移动,两个反应的平衡常数都增大,C项错误;根据图像,温度高于600 ℃,积碳量减少,但温度升高,体系中所有反应的反应速率都增大,D项错误。
3.甲醇-水蒸气重整制氢(SRM)是获取理想氢能源的有效方法。重整过程发生的反应如下:
反应Ⅰ:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+92 kJ·mol-1
在常压、催化剂下,向密闭容器中充入1 mol CH3OH和1.2 mol H2O的混合气体,t时刻测得CH3OH转化率及CO、CO2的选择性随温度的变化情况如图所示(曲线a为CO2的选择性),下列说法正确的是( )。
A.曲线b为CO的选择性
B.图中270 ℃时,容器中的H2(g)约为2.744 mol
C.选择300 ℃作为反应温度比较适宜
D.选用CO2选择性较高的催化剂有利于提高CH3OH的平衡转化率
答案:B
解析:从图中可知,270 ℃时,CO2的选择性为80%,则CO的选择性为20%,故曲线c为CO的选择性,A项错误;从图中可知,270 ℃时,甲醇的转化率为98%,CO、CO2的选择性分别为20%和80%,由反应可知容器中H2(g)约为1 mol×98%×(20%×2+80%×3)=2.744 mol,B项正确;从图中可知260 ℃时甲醇转化率已经很大,且二氧化碳的选择性较大,故选择260 ℃作为反应温度比较适宜,C项错误;催化剂无法改变CH3OH的平衡转化率,D项错误。
4.在一定条件下,将10 mol H2和1 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是( )。
①15% ②25% ③35% ④45%
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
答案:A
解析:利用极值法分析。对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3 mol。事实上,N2不可能完全转化,因而消耗H2的物质的量小于3 mol,故H2的最大转化率为α最大(H2)<×100%=30%,①②都有可能。
5.已知工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。改变反应条件,会使平衡发生移动。右图表示随条件改变氨气的百分含量的变化趋势。
当横坐标为压强时,变化趋势正确的是 (填字母,下同),当横坐标为温度时,变化趋势正确的是 。
答案:b a
解析:增大压强,平衡正向移动,b正确;升高温度,平衡逆向移动,a正确。
6.CO2可用来生产燃料甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1。在容积为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小化学反应速率的是 (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的平衡转化率,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 。
答案:(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
解析:(1)根据表中数据,甲醇平衡时的浓度为0.5 mol·L-1,依据反应的化学方程式可知,达到平衡时,消耗氢气的浓度为0.5 mol·L-1×3=1.5 mol·L-1,氢气的平衡转化率为×100%=75%,达到平衡时c(CH3OH)=c(H2O)=0.5 mol·L-1, c(CO2)=1 mol·L-1-0.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,c(H2)=2 mol·L-1-1.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,平衡常数K==4。
(2)该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量减小,二氧化碳的物质的量增大,该比值减小,故A不符合题意;恒容状态下,充入He(g),体系压强增大,但各组分浓度不变,化学平衡不移动,该比值不变,故B不符合题意;再充入1 mol氢气,浓度增大,反应速率增大,增加反应物浓度,平衡向正反应方向移动,甲醇物质的量增大,二氧化碳物质的量减小,该比值增大,故C符合题意;将水蒸气从体系中分离出来,化学反应速率减小,故D不符合题意。
(3)达到平衡时,再通入氢气,虽然平衡向正反应方向移动,但氢气浓度比原平衡大,即c1
(5)根据题图可知,相同温度下,催化剂Ⅰ的催化效果最佳;a点达到平衡,加入催化剂,对化学平衡移动无影响,b点没有达到平衡,二氧化碳转化率增大,说明反应向正反应方向进行,即v正>v逆;a点达到平衡,c点也是平衡点,但c点温度高于a点,该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳转化率降低。
7.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(体积分数)的变化情况。[投料V(N2)∶V(H2)=1∶3]
氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 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 。
A.高温高压 B.高温低压
C.低温高压 D.低温低压
(3)500 ℃和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: 。
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(如铁触媒)
解析:(1)表中数据表明:恒压时,升高温度,NH3的体积分数减小,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,此时平衡正向移动,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)增大反应物浓度或减小产物浓度有利于平衡正向移动;低温时虽然有利于化学反应正向进行,但速率较小,为增大化学反应速率,500 ℃时加入合适的催化剂 (如铁触媒),既增大化学反应速率,又使铁的催化剂性能最好。
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