2020-2022北京重点校高二(上)期末化学汇编：化学反应条件的优化——工业合成氨.docx

2020-2022北京重点校高二（上）期末化学汇编
化学反应条件的优化——工业合成氨
一、单选题
1．（2022·北京八中高二期末）NO2和N2O4存在平衡:2NO2(g)⇌N2O4(g) △H<0。下列分析正确的是（ ）
A．1 mol平衡混合气体中含1 mol N原子
B．断裂2 mol NO2中的共价键所需能量小于断裂1 mol N2O4中的共价键所需能量
C．恒温时，缩小容积，气体颜色变深，是平衡正向移动导致的
D．恒容时，水浴加热，由于平衡正向移动导致气体颜色变浅
2．（2021·北京师大附中高二期末）我国研究人员研制出一种新型复合光催化剂，利用太阳光在催化剂表面实现高效分解水，主要过程如图所示。

已知：

下列说法不正确的是（ ）
A．过程Ⅱ放出能量
B．若分解，估算出反应吸收能量
C．催化剂能减小水分解反应的焓变
D．催化剂能降低反应的活化能，增大反应物分子中活化分子的百分数
3．（2021·北京师大附中高二期末）下列不能用勒夏特列原理解释的是（ ）
A．向Fe(SCN)3溶液中加入固体KSCN后颜色变深
B．用饱和食盐水除去Cl2中的HCl，可以减少氯气的损失
C．将FeCl3溶液加热蒸干不能得到FeCl3固体
D．工业上SO2催化氧化成SO3的反应，选用常压条件而不选用高压
4．（2021·北京师大附中高二期末）用下列仪器或装置(图中夹持装置略)进行相应实验，不能达到实验目的的是（ ）
测锌与稀硫酸反应速率
制作简单燃料电池
验证铁的吸氧腐蚀
在铁制镀件上镀铜

A
B
C
D
A．A B．B C．C D．D
5．（2021·北京师大附中高二期末）。相同温度下，按初始物质不同进行两组实验，浓度随时间的变化如表。下列分析不正确的是 （ ）

0
20
40
60
80
实验
0.10
0.07
0.045
0.04
0.04
实验
0.10
0.20
……
A．，实验a中
B．，实验a中反应处于平衡状态，的转化率为60%
C．实验b中，反应向生成的方向移动，直至达到平衡
D．实验a、b达到化学平衡后，提高温度，反应体系颜色均加深
二、填空题
6．（2021·北京市第十二中学高二期末）反应A(g)+B(g)⇌C(g)+D(g)过程中的能量变化如图所示，回答下列问题。

(1)该反应是_______反应(填“吸热”“放热”)；
(2)当反应达到平衡时，升高温度，反应的平衡常数____，A的转化率____(填“增大”“减小”“不变”) ；
(3)在反应体系中加入催化剂，反应速率增大，E2的变化是______(填“增大”“减小”“不变”)。
7．（2021·北京市第十二中学高二期末）某工厂的氨氮废水中主要含有NH、Cl-，可用电化学氧化法加以处理。
(1)如图是电化学氧化法的原理示意图。a的电极反应式是_______。

(2)研究显示，其他条件不变时，不同pH下氨氮的去除量如图所示。已知：NH3·H2O与NH相比，在电极表面的吸附效果更好。结合平衡移动原理和图中数据，解释pH从5到9时氨氮去除量增大的原因：______。

(3)在电解废水的过程中，Cl-也会参与去除过程。其他条件相同、Cl-的浓度不同时，废水中氨氮脱除效率的实验结果如下：
Cl-的浓度/(mg·L-1)
400
100
电解时间/h
0.5
0.5
氨氮脱除效率/(mg·mA-1·cm-2)
2.4
0.8
①其它条件相同、适当提高Cl-的浓度，可以显著增大废水中的脱除效率。用化学用语解释原因：______、3Cl2+2NH=N2+6Cl-+8H+。
②上图中，pH>11时，废水中NH去除量下降，可能的原因是：________(至少写两条)。
三、原理综合题
8．（2022·北京八中高二期末）NH3可用于生产硝酸和尿素。
（1）生产硝酸：
① NH3催化氧化是工业制硝酸的第一步反应，其化学方程式是_____。
② 除此之外，还可能发生以下副反应：4NH3 (g)+ 4O2 (g) === 2N2O (g) +6H2O (g) ΔH=－1105 kJ/mol，4NH3 (g) + 3O2 (g) === 2N2 (g) +6H2 O(g) ΔH=－1269 kJ/mol，两个副反应在理论上趋势均很大，但实际生产中影响并不大，原因是_____。
（2）生产尿素：
① 尿素的合成分两步进行：a．2NH3 (g)＋CO2(g) NH2COONH4(l)ΔH=－117 kJ/mol，b．NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=＋15 kJ/mol，写出总反应的热化学方程式：______。
②下图为n(NH3):n(CO2) = 4 : 1时，温度对CO2的转化率的影响。解释温度升高CO2的平衡转化率增大的原因：______。

③ 测定尿素样品含氮量的方法如下：取a g尿素样品，将所含氮完全转化为NH3，所得NH3用过量的v1 mL c1 mol·L-1 H2SO4溶液吸收完全，剩余H2SO4用v2 mL c2 mol·L-1 NaOH溶液恰好中和，则尿素样品中氮元素的质量分数是______。
9．（2021·北京师大附中高二期末）AlN新型材料应用前景广泛，其制备与性质研究成为热点。
(1)AlN的制备—碳还原法：以Al2O3、C(石墨)和N2为原料，在高温下制备AlN。
已知：i.2Al2O3(s)4Al(g)＋3O2(g)=＋3351kJ·mol-1
ii.2C(石墨，s)＋O2(g)=2CO(g)=-221kJ·mol-1
iii.铝蒸气和氮气反应生成氮化铝，生成41gAlN放出159kJ热量。写出该反应的热化学方程式___________。运用平衡移动原理分析反应ii对反应i的可能影响：___________。
(2)AlN的性质。AlN粉末可发生水解。相同条件下，不同粒径的AlN粉末水解时溶液pH的变化如图所示。解释t1-t2时间内两条曲线差异的可能原因：___________。

(3)AlN含量检测。向agAlN样品中加入足量浓NaOH溶液，然后通入水蒸气将NH3全部蒸出，将NH3用过量的v1mLc1mol·L-1H2SO4溶液吸收完全，剩余的H2SO4用v2mLc2mol·L-1NaOH溶液恰好中和，则样品中AlN的质量分数是___________。
10．（2021·北京市第十二中学高二期末）CO2可用于合成多种化工原料。用 CO2生产绿色燃料甲醇时发生反应A：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
(1)反应A的平衡常数表达式是_________。
(2)已知：2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l) ΔH2
H2O(g)=H2O(l) ΔH3
ΔH1不易直接测得，为了通过ΔH2和ΔH3计算得到ΔH1，还需测定如下反应的反应热：_______。
(3)在体积为 1 L 的恒容密闭容器中发生反应 A，如图是在三种投料，即[n(CO2)，n(H2)]分别为：[1mol，3mol]、[1mol，4mol]、[1mol，6mol]下，反应温度对 CO2平衡转化率影响的曲线。

①反应 A 的ΔH1________0(填“>”或“<”)。
②曲线 c 对应的投料是_________。
③T1℃时，曲线c 对应的化学平衡常数_________1(填“>”、“<”或“=”)。
(4)在一定条件下，利用 CO2合成 CH3OH 的反应过程中会有副反应：CO2(g) + H2(g)⇌CO(g) + H2O(g)。压强一定时，将初始投料比一定的 CO2和H2按一定流速通过催化剂甲，经过相同时间(反应均未达到平衡)时，温度对 CH3OH、CO 的产率影响如图 1 所示，温度对 CO2的转化率影响如图 2 所示。

由图象可知，升高温度，CO2的实际转化率提高而甲醇的产率降低，其原因是_______。

参考答案
1．B
【详解】A．1molNO2含有1molN原子，1molN2O4含有2molN原子，现为可逆反应，为NO2和N2O4的混合气体,1 mol平衡混合气体中所含原子大于1 mol N，A项错误；
B．反应2NO2(g)⇌N2O4(g)为放热反应，故完全断开2molNO2分子中的共价键所吸收的热量比完全断开1molN2O4分子中的共价键所吸收的热量少，B项正确；
C．气体体积压缩，颜色变深是因为体积减小，浓度变大引起的，C项错误；
D．放热反应，温度升高，平衡逆向移动，颜色加深，D项错误；
答案选B。
2．C
【详解】A．由图示可知：过程Ⅱ形成了化学键，因此会放出能量，A正确；
B．若分解2 mol H2O(g)，就要断裂4 mol的H-O键，形成2 mol的H-H和1 mol的O=O，则根据键能与反应热的关系，可知反应热△H=4×463 kJ/mol-2×436 kJ/mol-498 kJ/mol=+482 kJ/mol，因此可知反应吸收482 kJ能量，B正确；
C．催化剂只能降低反应的活化能，但不能改变反应物、生成物的能量，因此不能改变水分解反应的焓变，C错误；
D．催化剂能改变反应途径，降低反应的活化能，使更多普通分子变为活化分子，从而增大反应物中活化分子的百分数，使反应速率加快，D正确；
故合理选项是C。
3．D
【详解】A．，加入固体KSCN后，平衡正向移动，溶液颜色加深，能用勒夏特列原理解释，A项不选；
B．，在饱和食盐水中，平衡逆向移动，抑制氯气和水反应，可以减少氯气的损失，能用勒夏特列原理解释，B项不选；
C．加热蒸干FeCl3溶液过程中，温度升高，，平衡正向移动，故FeCl3溶液加热蒸干不能得到FeCl3固体，能用勒夏特列原理解释，C项不选；
D．常压下的SO2转化率已经很大，增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本，所以采用常压条件不能用勒夏特列原理解释，D项选；
答案选D。
4．D
【详解】A．通过测定一定时间内生成氢气的体积，测定锌与稀硫酸反应速率，能达到实验目的，A与题意不符；
B．首先连接K1电解硫酸钠，在阴阳两极分别产生氢气和氧气，再断开K1，连接K2可形成氢氧燃料电池，能达到实验目的，B与题意不符；
C．利用铁钉浸泡于一定浓度的NaCl中性溶液中验证吸氧腐蚀，能达到实验目的，C与题意不符；
D．装置中，铁件作阳极，失电子生成亚铁离子，不能在铁件的表面镀铜，D符合题意；
答案为D。
5．C
【详解】A．根据表格数据可知，0~20s △c(N2O4)=0.03mol/L，根据方程式，则△c(NO2)=2△c(N2O4)=0.06mol/L，因此，A正确；
B．，实验a中N2O4的浓度不再改变，反应处于平衡状态，此时的浓度为0.04mol/L，则转化率为，B正确；
C．根据实验a可知该温度下，反应的平衡常数，实验b中，投入和的浓度分别为0.1mol/L和0.2mol/L，此时，则平衡向生成的方向移动，直至达到平衡，C错误；
D．该反应为吸热反应，因此实验a、b达到化学平衡后，升高温度，反应均朝着正反应方向(即生成NO2的方向)进行，反应体系的颜色均加深，D正确；
答案选C。
6．     放热     减小     减小     减小
【详解】(1)根据图象可知，反应物的总能量大于生成物的总能量，反应为放热反应；
(2)当反应达到平衡时，升高温度，平衡逆向移动，反应物的浓度增大，生成物的浓度减小，反应的平衡常数减小；A的转化率减小；
(3)催化剂能降低反应的活化能，但不影响焓变，则E2减小。
7．     2H++2e-=H2↑     废水中存在：NH+H2O⇌NH3·H2O+H+，pH增大，c(H+)降低，平衡正向移动，c(NH3·H2O)增大，有利于含氮微粒在电极表面吸附     2Cl--2e-=Cl2↑     c(OH-)较大，优先放电；NH与OH-结合生成NH3·H2O，NH3逸出；Cl2与OH-会生成ClO-，碱性条件下ClO-氧化性弱
【分析】根据图示的电解池结构写出电极方程式；根据NH3·H2O在电极表面的吸附效果好分析吸附量变化原因；根据表格中的数据的变化分析铵根去除率下降的原因。
【详解】(1)该装置为电解池，a电极中H+放电生成氢气，电极方程式为2H++2e-=H2↑；
(2)根据已知条件，NH3·H2O与NH相比，在电极表面的吸附效果更好。pH增大，NH水解产生的NH3·H2O越多，氨氮去除量增大，废水中存在：NH+H2O⇌NH3·H2O+H+，pH增大，c(H+)降低，平衡正向移动，c(NH3·H2O)增大，有利于含氮微粒在电极表面吸附；
(3)①电解废水的过程中，Cl-先在阳极失电子产生Cl2，电极反应式为：2Cl--2e-=Cl2↑；
②结合①问，pH>11时，废水中NH去除量下降，可能的原因是氯气浓度减小(如：c(OH-)较大，优先放电；Cl2与OH-会生成ClO-，碱性条件下ClO-氧化性弱)、NH3逸出(NH与OH-结合生成NH3·H2O，NH3逸出)等。
8．     4NH3+ 5O2 4NO +6H2O     使用催化剂提高氨的催化反应的选择性     2NH3(g) + CO2(g) CO(NH2)2(l) + H2O(l)    ΔH= －102 kJ/mol     升高温度，反应b正向移动     14（2c1v1－c2v2）×10－3/a
【详解】（1）① NH3催化氧化是工业制硝酸的第一步反应，其化学方程式是NH3+ 5O2 4NO +6H2O。
② 除此之外，还可能发生以下副反应：4NH3 (g)+ 4O2 (g) === 2N2O (g) +6H2O (g)  ΔH=－1105 kJ/mol，4NH3 (g) + 3O2 (g) === 2N2 (g) +6H2 O(g)   ΔH=－1269 kJ/mol，两个副反应在理论上趋势均很大，但实际生产中影响并不大，原因是工业上使用催化剂提高氨的催化反应的选择性。
（2）① 尿素的合成分两步进行：a．2NH3 (g)＋CO2(g) NH2COONH4(l)     ΔH= －117 kJ/mol，b．NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l)   ΔH= ＋15 kJ/mol。由(a+b)可得2NH3(g) + CO2(g) CO(NH2)2(l) + H2O(l) ，所以ΔH=（－117 kJ/mol）+（＋15 kJ/mol）=－102 kJ/mol，所以总反应的热化学方程式为2NH3(g) + CO2(g) CO(NH2)2(l) + H2O(l)    ΔH= －102 kJ/mol。
②由NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l)   ΔH= ＋15 kJ/mol可知，该反应为吸热反应，所以温度升高后该化学平衡向正反应方向移动，从而促进化学平衡2NH3 (g)＋CO2(g) NH2COONH4(l)向正反应方向移动， CO2的平衡转化率增大。
③ 测定尿素样品含氮量的方法如下：取a g尿素样品，将所含氮完全转化为NH3，所得NH3用过量的v1 mL c1 mol·L-1 H2SO4溶液吸收完全，剩余H2SO4用v2 mL c2 mol·L-1 NaOH溶液恰好中和。由反应的化学方程式可知，2n(H2SO4)=n(NH3)+n( NaOH)，所以n(N)= n(NH3)=0.5 n(H2SO4)- n( NaOH)=（2c1v1－c2v2）×10－3mol，则尿素样品中氮元素的质量分数是14（2c1v1－c2v2）×10－3/a。
9．(1)     2Al(g)＋N2(g)=2AlN(s)kJ·mol-1     反应ii能降低氧气浓度，有利于反应i化学平衡正向移动(也可以从温度变化角度答)
(2)粒径较小的AlN表面积大，水解反应速率较大
(3)
【详解】（1）铝蒸气和氮气反应生成氮化铝的化学方程式为2Al(g)＋N2(g)=2AlN(s)，又生成41gAlN即1molAlN放出159kJ热量，故热化学方程式为2Al(g)＋N2(g)=2AlN(s)kJ·mol-1。反应ⅱ能消耗氧气，反应ⅰ生成氧气，故反应ⅱ能促进反应ⅰ正向进行。
（2）由图象可以看出两条曲线的反应速率是不同的，反应速率和接触面积有关，
故答案为：粒径较小的AlN表面积大，水解反应速率较大；
（3）消耗硫酸的物质的量为：，氨气和硫酸按照2:1反应，故氨气的物质的量为：，根据氮元素守恒，氮化铝的物质的量也是，故样品中氮化铝的质量分数为，
故答案为：。
10．          2H2(g) + O2(g) = 2H2O(l) 或 H2O(g)     ＜     [1mol，6mol]     ＜     升高温度，反应 B(副反应)的速率增加得比反应(A)快
【分析】(1)根据平衡常数定义书写该反应的平衡常数表达式；
(2)根据盖斯定律进行分析；
(3)①根据温度对平衡移动的规律进行分析；
②根据浓度对平衡移动影响的规律进行分析；
③结合图象，根据“三段式”进行分析计算该反应的平衡常数；
(4)反应A：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0，副反应B：CO2(g) + H2(g)⇌CO(g) + H2O(g) ΔH2>0，结合温度对平衡移动、速率的影响规律进行分析。
【详解】(1)可逆反应 CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)，其平衡常数表达式为：K=；
(2)目标方程式为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1，已知反应2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l) ΔH2，H2O(g)=H2O(l) ΔH3；根据盖斯定律可知，通过ΔH2和ΔH3计算得到ΔH1，还需测定2H2(g)+O2(g) = 2H2O(l) 反应的反应热或测定H2O(g)反应热；
(3)①根据图象可知，其它条件不变时，升高温度，二氧化碳的转化率减小，平衡逆向移动，该反应正反应为放热反应；ΔH1<0；
②可逆反应：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0；增大反应物氢气的浓度，反应向右进行，二氧化碳的转化率增大，温度不变时，曲线c对应的二氧化碳的平衡转化率最大，所对应的投料是[1mol，6mol]；
③T1℃时，曲线c对应投料是[1mol，6mol]，即起始时n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol；二氧化碳的转化率为65%；平衡时，n(CO2)=1mol-65%×1=0.35mol，n(H2)=6mol-65%×1×3=4.05mol；n(CH3OH)= 65%×1=0.65mol，n(H2O)= 65%×1=0.65mol；在体积为 1 L 的恒容密闭容器中发生反应，平衡时各物质的浓度分别为：c(CO2)=0.35mol/L，c(H2)=4.05mol/L，c(H2O)=c(CH3OH)=0.65mol/L，化学平衡常数K==<1；
(4)反应A：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0，升高温度，平衡逆移，甲醇的产率减小，符合图1，温度升高，而一氧化碳产率增大，可以判断副反应B：CO2(g)+H2(g)⇌CO(g) +H2O(g) ΔH2>0，速率比A更快，平衡正向移动，二氧化碳转化率更大，对于A来说，平衡逆向移动，甲醇的产率减小，所以升高温度，CO2的实际转化率提高而甲醇的产率降低。

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