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第2章 第4节
(45分钟 100分)
(本栏目内容，在学生用书中以活页形式分册装订！)
一、选择题(此题包括10小题，每题5分，共50分)
1．合成氨反响的特点是( )
①可逆 ②不可逆 ③正反响放热 ④正反响吸热 ⑤正反响气体总体积增大 ⑥正反响气体总体积缩小
A．①③⑤B．②④⑥
C．①③⑥D．④⑤⑥
答案： C
2．合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是( )
A．加快反响速率 B．提高NH3的平衡浓度
C．降低NH3的沸点 D．提高N2和H2的利用率
解析： 合成氨是可逆反响，在中压工艺条件下合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%～14%，循环使用可提高N2和H2的利用率。
答案： D
3．(2022·上海高考)1913年德国化学家哈伯创造了以低本钱制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。以下是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③B．②④⑤
C．①③⑤D．②③④
解析： 合成氨反响为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反响方向移动，②、④正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，⑤正确。
答案： B
4．以下有关合成氨工业的说法中，正确的选项是( )
A．从合成塔出来的混合气体，其中氨气只占13%～14%，所以生产氨的工厂效率都很低
B．由于氨易液化，N2(g)、H2(g)是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高
C．合成氨反响温度控制在500 ℃左右，目的是使化学平衡向正反响方向移动
D．合成氨采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大
解析： 虽然从合成塔出来的混合气体中氨气只占13%～14%，但由于氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高；合成氨是放热反响，选择高温不利于氨气的合成，选择500 ℃左右的温度在于提高化学反响速率和增大催化剂的活性；催化剂的活性取决于温度的大小，而不是取决于压强的上下。
答案： B
5．(2022·汕头高二质检)合成氨反响到达平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如下列图。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是( )
A．提高别离技术
B．研制耐高压的合成塔
C．研制低温催化剂
D．探索不用N2和H2合成氨的新途径
解析： 由图可知：φ(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高φ(NH3)必须降低温度，但目前所用催化剂——铁触媒活性最好时的温度在700 K左右。故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
答案： C
6．高温下，某反响达平衡，平衡常数K＝。恒容时，温度升高，H2浓度减小。以下说法正确的选项是( )
A．该反响的焓变为正值
B．恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小
C．升高温度，逆反响速率减小
D．该反响化学方程式为CO＋H2OCO2＋H2
解析： 由平衡常数表达式写出可逆反响为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，D项错误；由于升高温度，H2浓度减小，说明升温平衡向正反响方向进行，因此正反响是吸热的，焓变为正值，A项正确；由于反响前后气体体积相等，增大压强平衡不移动，但假设通入H2其浓度会增大，B项错误；升高温度，正逆反响速率都会增大，C项错误。
答案： A
7．工业合成氨的正反响是放热反响，以下关于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反响的图象中，错误的选项是( )
解析： 合成氨的正反响是放热反响，升温、正、逆反响速率都增大，但逆反响增大的程度大，A正确；在T1时NH3%最大，到达平衡，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
8．(2022·宁波高二质检)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： 要增加甲醇的产量，需要从两方面考虑：一提高反响速率，可采取较高的温度，较大的压强，使用催化剂；二增大反响限度，低温、高压，有利于该可逆反响的平衡右移，所以可采取适宜温度、高压、催化剂。
答案： B
9．(2022·福州高二质检)合成氨反响：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，在反响过程中，正反响速率的变化如图：
以下说法正确的选项是( )
A．t1时升高了温度 B．t2时使用了催化剂
C．t3时增大了压强 D．t4时降低了温度
解析： 假设t1时升高了温度，那么随后v正应增大至平衡，A错；假设t3增大了压强，v正应增大，而不会减小，故C错；假设t4时降低了温度，那么v正应突然减小，曲线不应相连，D错。
答案： B
10．在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 mol、30 mol，到达平衡时N2的转化率为25%。假设从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量相同，那么应参加NH3的物质的量及NH3的转化率为( )
A．15 mol和25%B．20 mol和50%
C．20 mol和75% D．40 mol和80%
解析： 以N2、H2为起始时，N2为10 mol，H2为30 mol，要以NH3开始反响，并且平衡时百分含量与前者相同，取NH3的量必须是20 mol，故A和D是错误的。
设以NH3开始反响时，氨转化的物质的量为x，那么有20 mol－x＝2×10 mol×25%，x＝15 mol
氨的转化率：×100%＝75%。
答案： C
二、非选择题(此题包括4小题，共50分)
11．(12分)工业上合成氨是在一定条件下进行如下反响：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.44 kJ·mol－1，其局部工艺流程如下列图：
反响体系中各组分的局部性质见下表
气体
氮气
氢气
氨
熔点/℃
－210.01
－252.77
－77.74
沸点/℃
－195.79
－259.23
－33.42
答复以下问题：
(1)写出该反响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)K值越大，说明________(填字母)。
A．其他条件相同时N2的转化率越高B．其他条件相同时NH3的产率越大
C．原料中N2的含量越高D．化学反响速率越快
(3)在工业上采取气体循环的流程，即反响后通过把混合气体的温度降低到________使________别离出来；继续循环的气体是________。
解析： (1)由化学方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)不难写出：K＝，此反响ΔH<0，说明正反响为放热反响，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)K值越大，说明[NH3]越大，[N2]和[H2]就越小，说明反响进行的程度大，故其他条件相同时N2的转化率就越高，NH3的产率就越大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其别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
12．(12分)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。
到达平衡时平衡混合物中NH3的含量(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，正反响方向为________(填“吸热〞或“放热〞)反响。
(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 ℃，30 MPa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： (1)由表中数据可以看出，在1个标准大气压下，200 ℃ NH3的百分含量比300 ℃中NH3的百分含量高，故知升高温度平衡向左(或逆向)移动，进而据平衡移动原理判断出正反响方向为放热反响。
(2)由表中数据知，在相同压强下，温度越高，NH3的百分含量越低；相同温度时，压强越大，NH3的百分含量越高，故合成氨适宜条件是低温高压。
(3) N2 ＋ 3H22NH3
起始 1 3 0
转化 n 3n 2n
平衡 1－n 3－3n 2n
×100%＝26.4%
n＝0.417 7
故N2的转化率为×100%＝41.77%。
答案： (1)左(或逆反响) 放热 (2)C (3)41.77%
(4)参加过量的N2(或及时从平衡混合物中移走NH3)
13．(12分)(2022·南通高二质检)对于2XY(g)的体系，在压强一定时，平衡体系中Y的质量分数w(Y)随温度的变化情况如右图所示(实线上的任何一点为对应温度下的平衡状态。)
(1)该反响的正反响方向是一个____反响(填“吸热〞或“放热〞)。
(2)A、B、C、D、E各状态中，v(正)<v(逆)的是________。
(3)维持t1不变，E→A所需时间为x，维持t2不变，D→C所需时间为y，那么x______y(填“<〞“>〞或“＝〞)。
(4)欲要求使E状态从水平方向到C状态后，再沿平衡曲线到达A状态，从理论上来讲，可选用的条件是____________________________________________________。
解析： 由图可知，随着温度的升高，w(Y)逐渐减少，说明平衡逆向移动，那么正反响方向是放热反响。A、B、C、D、E中A、B、C在平衡曲线上，那么A、B、C都处于各自的平衡状态中，D、E两点不在平衡曲线上，即它们没有到达化学平衡，因为E状态的w(Y)比该温度下平衡时的小，所以平衡正向移动，v(正)>v(逆)，D状态的w(Y)比该温度下的平衡状态时的大，平衡逆向移动，此时v(逆)>v(正)。D、E要到达各自温度下的平衡状态所转化的Y的物质的量，因为D处的温度比E处的温度高，D处反响速率快，所以D处到达平衡所需时间短。E→C，要满足w(Y)不变，温度升高，只有采取突然升温，C→A的变化符合平衡曲线，意味着要经过无数个温度下的平衡状态的点后，C才能到达A，所以只有采取无限缓慢地降温。
答案： (1)放热 (2)D (3)> (4)先突然升温到t2，然后无限缓慢地降低温度到t1
14．(16分)(2022·深圳高二质检)科学家一直致力于“人工固氮〞的新方法研究。
(1)目前合成氨技术原理为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
ΔH＝－92.2 kJ·mol－1
①673 K,30 MPa下，上述合成氨反响中n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如下列图。以下表达正确的选项是________。
A．点a的正反响速率比点b的大
B．点c处反响到达平衡
C．点d和点e处的n(N2)相同
D．773 K,30 MPa下，t2时刻也是该反响的平衡点，那么n(NH3)比图中e点的值大
②在容积为2.0 L恒容的密闭容器中充入0.80 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反响在673 K、30 MPa下进行，到达平衡时，NH3的体积分数为20%。该条件下反响N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数K＝________。
(2)根据最新“人工固氮〞的研究报道，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)外表与水发生以下反响：
N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1
进一步研究NH3生成量与温度的关系，常压下到达平衡时测得局部实验数据如下表：
T/K
303
313
323
NH3生成量/(10－6 mol)
4.8
5.9
6.0
①此合成反响的a________0；ΔS________0。(填“>〞、“<〞或“＝〞)
②：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2 kJ·mol－1
2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH＝－571.6 kJ·mol－1
那么N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝____________kJ·mol－1。
解析： (1)①a、b两点均未到达平衡，正反响速率大于逆反响速率，且正反响速率逐渐减小，逆反响速率逐渐增大，那么点a的正反响速率比点b的大；点c处，[H2]＝[NH3]，相等并不是不变，此点未到达平衡；点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处都是处在平衡状态，n(N2)或[N2]不变；温度升高，合成氨的可逆反响平衡逆向移动，n(H2)或[H2]增大，n(NH3)减小。
②设在反响过程中N2的物质的量的变化为x。
3H2＋N22NH3
始/mol 1.60 0.80 0
变/mol 3xx2x
平/mol 1.6－3x0.8－x2x
×100%＝20%，
解得x＝0.2。
K＝＝＝ mol－2·L2。
(2)①温度升高，NH3的生成量增多，平衡右移，故正反响吸热，ΔH>0，即a>0；由于原反响中反响后气体的物质的量增大，故ΔS>0。
②由2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH＝－571.6 kJ·mol－1可得，3H2O(l)===3H2(g)＋O2(g) ΔH＝＋857.4 kJ·mol－1，再与N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1相加，可得N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝＋765.2 kJ·mol－1。
答案： (1)①A、C ② mol－2·L2(或1.07 mol－2·L2或1.1 mol－2·L2)
(2)①> > ②＋765.2
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