中六化学练习卷：工业化学、哈柏法与电解工业（100 分）

2026-11-12

练习卷 · 化学　工业化学与电解

中六化学练习卷：全卷 6 题 20 部分、100 分、75 分钟，按香港中学文凭化学科课程编写，涵盖哈柏法合成氨的平衡与 Kc 计算、硝酸工业的原子经济性与产率、氯碱工业的电解计算、电镀质量与镀层厚度、硫酸工业的质量守恒，以及能源效率与工业决策；每题附完整答案与评分要点，方便考生自学核对。

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卷面资料　年级：　｜　科目：化学　｜　时限：75 分钟　｜　总分：100 分　｜　题数：20

第一部分：哈柏法合成氨（16 分）

哈柏法以氮气与氢气在催化剂上合成氨：N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)，ΔH = −92 kJ mol^-1。以下各题均以此反应为基础。

#	题目	答案与评分要点
1	(a) 解释工业上采用约 200 atm 与约 450 °C 的原因，并说明铁催化剂在此过程中的作用。（5 分）	答案：增大压力有利于气体分子数较少的一侧。反应物共 4 mol 气体而生成物只有 2 mol，故高压（约 200 atm）令平衡右移，提高氨的平衡产率。此反应放热，低温有利于平衡右移，但低温下反应速率过慢，故取约 450 °C 的折中温度，同时兼顾速率与产率。铁催化剂降低活化能、加快达到平衡，但不改变平衡位置，亦不改变平衡常数。评分：压力理由 2 分、温度折中 2 分、催化剂作用 1 分。
2	(b) 在 1.00 dm³ 的密闭容器中，平衡时含 0.20 mol N2、0.40 mol H2 及 0.60 mol NH3。求该温度下的平衡常数 Kc（三位有效数字）。（6 分）	答案：[NH3] = 0.60 mol dm^-3，[N2] = 0.20 mol dm^-3，[H2] = 0.40 mol dm^-3。Kc = [NH3]^2 ÷ ([N2] × [H2]^3) = 0.36 ÷ (0.20 × 0.064) = 0.36 ÷ 0.0128 = 28.1。评分：三个浓度 2 分、代入平衡式 2 分、数值与有效数字 2 分。
3	(c) 某次实验以 1.00 mol N2 与 3.00 mol H2 为起始物料，平衡时得 0.60 mol NH3。求氨的百分产率。（5 分）	答案：由方程式，1.00 mol N2 若完全反应最多生成 2.00 mol NH3，故理论产量为 2.00 mol。百分产率 = 0.60 ÷ 2.00 × 100 = 30.0%。评分：理论产量 2 分、比率计算 2 分、百分号与单位 1 分。

第二部分：硝酸工业与原子经济性（17 分）

硝酸工业的第一步为氨的催化氧化：4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)。（相对原子质量：N = 14.0，H = 1.0，O = 16.0）

#	题目	答案与评分要点
4	(a) 解释为何铂铑催化剂要制成细密金属网，并说明空气用量略高于化学计量比的原因。（5 分）	答案：催化剂只在表面提供反应位置，制成细密金属网可在有限质量下提供极大的表面积，令气体接触面增加、反应速率提升，同时减少贵金属用量。空气略为过量可令氨几乎完全被氧化，避免氨未反应便进入后续工序；但过量太多会稀释产物并增加加热与压缩的成本。评分：表面积理由 2 分、速率说明 1 分、过量空气理由 2 分。
5	(b) 以质量计，求第一步反应对 NO 的原子经济性（三位有效数字）。（6 分）	答案：反应物质量 = 4 × 17.0 + 5 × 32.0 = 68.0 + 160.0 = 228.0 g；目标产物质量 = 4 × 30.0 = 120.0 g。原子经济性 = 120.0 ÷ 228.0 × 100 = 52.6%。其余原子进入水蒸气，属副产物。评分：反应物质量 2 分、产物质量 1 分、比率 2 分、答案 1 分。
6	(c) 若 1.00 吨氨全部被氧化，理论上可得纯硝酸多少吨？总产率为 92.0% 时实得多少吨？（三位有效数字）（6 分）	答案：由 N 原子守恒，1 mol NH3 对应 1 mol HNO3，故质量比 = 63.0 ÷ 17.0 = 3.706。理论产量 = 1.00 × 3.706 = 3.71 吨；实得 = 3.71 × 0.920 = 3.41 吨。评分：质量比 2 分、理论产量 2 分、乘产率 1 分、单位与有效数字 1 分。

第三部分：氯碱工业的电解计算（17 分）

氯碱工业电解浓食盐水，同时生产氯气、氢气与氢氧化钠。某电解池以 5.00 A 通电 2.00 小时。（法拉第常数取 96500 C mol^-1，室温常压摩尔体积取 24.0 dm³ mol^-1，Na = 23.0，O = 16.0，H = 1.0）

#	题目	答案与评分要点
7	(a) 写出阳极与阴极的电极反应式，并写出电解总反应式。（5 分）	答案：阳极（氧化）：2Cl^- → Cl2 + 2e^-；阴极（还原）：2H2O + 2e^- → H2 + 2OH^-。总反应式：2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2。评分：阳极式 2 分、阴极式 2 分、总式 1 分（状态符号不计分）。
8	(b) 求这段时间内阳极产生氯气在室温常压下的体积（dm³，三位有效数字）。（6 分）	答案：电量 Q = 5.00 × 2.00 × 3600 = 36000.0 C。电子摩尔数 = 36000.0 ÷ 96500 = 0.37 mol。由阳极式，2 mol 电子生成 1 mol Cl2，故 Cl2 = 0.37 ÷ 2 = 0.19 mol。体积 = 0.19 × 24.0 = 4.48 dm³。评分：Q 1 分、电子摩尔数 2 分、1 比 2 关系 1 分、体积 2 分。
9	(c) 求同时生成的氢氧化钠质量（g，三位有效数字）。（6 分）	答案：阴极式显示每 1 mol 电子生成 1 mol OH^-，故 OH^- 摩尔数 = 0.37 mol。NaOH 摩尔质量 = 23.0 + 16.0 + 1.0 = 40.0 g mol^-1。质量 = 0.37 × 40.0 = 14.92 g。评分：电子与 OH^- 的 1 比 1 关系 2 分、摩尔质量 1 分、计算 2 分、单位 1 分。

第四部分：电镀与镀层厚度（17 分）

以铜作电镀层：在铜片上以 2.50 A 电镀 30.0 分钟。铜的摩尔质量取 63.5 g mol^-1，密度取 8.96 g cm^-3，法拉第常数取 96500 C mol^-1。

#	题目	答案与评分要点
10	(a) 说明电镀铜时阳极用纯铜、电解质用硫酸铜溶液的原因。（5 分）	答案：阳极的纯铜会氧化溶解成 Cu^2+ 进入溶液（Cu → Cu^2+ + 2e^-），正好补充阴极还原所消耗的 Cu^2+，令电解质浓度大致恒定，镀层厚度与质量可控。若用惰性阳极，Cu^2+ 会被耗尽，镀层质量与厚度随时间下降，并在阳极产生氧气。评分：阳极溶解 2 分、浓度恒定 2 分、惰性阳极的后果 1 分。
11	(b) 求阴极析出铜的质量（g，三位有效数字）。（6 分）	答案：电量 Q = 2.50 × 30.0 × 60 = 4500.0 C；电子摩尔数 = 4500.0 ÷ 96500 = 0.05 mol。Cu^2+ + 2e^- → Cu，故 Cu = 0.05 ÷ 2 = 0.02 mol，质量 = 0.02 × 63.5 = 1.48 g。评分：Q 1 分、电子摩尔数 2 分、2 比 1 关系 1 分、质量 2 分。
12	(c) 若受镀面积为 50.0 cm²，求平均镀层厚度（µm，三位有效数字）。（6 分）	答案：铜的体积 = 1.48 ÷ 8.96 = 0.17 cm³。厚度 = 体积 ÷ 面积 = 0.17 ÷ 50.0 = 3.30 × 10^-3 cm，换算 = 3.30 × 10^-3 × 10^4 = 33.0 µm。评分：体积 2 分、除以面积 2 分、cm 转 µm 1 分、有效数字 1 分。

第五部分：硫酸工业与环境考量（16 分）

接触法先燃烧硫得二氧化硫，再在五氧化二钒催化下氧化成三氧化硫，最后吸水成硫酸。某厂燃烧 1.00 吨含硫 98.0% 的硫磺。（相对原子质量：S = 32.1，O = 16.0，H = 1.0）

#	题目	答案与评分要点
13	(a) 求可得二氧化硫的质量（吨，三位有效数字）。（4 分）	答案：纯硫质量 = 1.00 × 0.980 = 0.98 吨。S + O2 → SO2，摩尔比 1 比 1，质量比 = 64.1 ÷ 32.1 = 1.997。SO2 质量 = 0.98 × 1.997 = 1.96 吨。评分：纯硫 1 分、摩尔比 1 分、质量比计算 1 分、答案 1 分。
14	(b) 若二氧化硫全部转化并被吸收，理论上可得纯硫酸多少吨？（三位有效数字）（4 分）	答案：每个硫原子最终进入一个硫酸分子，故质量比 = 98.1 ÷ 32.1 = 3.056。硫酸质量 = 0.98 × 3.056 = 2.99 吨。评分：原子守恒观念 1 分、质量比 2 分、答案与单位 1 分。
15	(c) 二氧化硫氧化成三氧化硫时，工业上只用略高于常压的压力而不用极高压。解释原因。（4 分）	答案：2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 中反应物为 3 mol 气体而生成物为 2 mol，高压虽可提高平衡产率，但该反应本身在 1 至 2 atm 下已达 97% 以上转化率，再增压所得增益有限，而压缩气体与耐压设备的成本及能耗大幅上升，故只取略高于常压。评分：气体摩尔数比较 1 分、转化率已高 1 分、成本与能耗 2 分。
16	(d) 列举两项减少二氧化硫排放的工业措施，并各说明其原理。（4 分）	答案：一是烟气脱硫，用石灰石浆液或石灰水洗涤废气，把 SO2 吸收并转成亚硫酸钙或硫酸钙，避免排入大气；二是提高转化率与尾气循环，把未反应的 SO2 送回催化床再氧化，或加装尾气洗涤塔以碱液吸收残余 SO2。评分：每项措施 1 分、原理 1 分。

第六部分：能源效率与工业决策（17 分）

合成氨的理论反应焓变为每摩尔氨 −46.0 kJ（即每摩尔氮 −92 kJ）。某厂实际每生产 1 吨氨约消耗 28.0 GJ 能源。（N = 14.0，H = 1.0）

#	题目	答案与评分要点
17	(a) 求每吨氨的理论反应焓变（GJ，三位有效数字）。（5 分）	答案：1 吨氨的摩尔数 = 1.0 × 10^6 ÷ 17.0 = 58823.5 mol。理论焓变 = 58823.5 × 46.0 = 2705882 kJ，即 2.71 GJ。评分：摩尔数 2 分、乘焓变 2 分、单位换算 1 分。
18	(b) 由此求该厂的能源效率（理论焓变 ÷ 实际消耗，以百分比表示、取两位小数）。（4 分）	答案：能源效率 = 2.71 ÷ 28.0 × 100 = 9.66%。即大部分输入能源没有进入产物的化学键，而用于压缩、加热、冷却与分离。评分：比率 2 分、百分数 1 分、一句解释 1 分。
19	(c) 解释为何实际消耗远高于理论焓变。（4 分）	答案：理论焓变只计反应本身的能量差，而实际工厂还要压缩气体至约 200 atm、把气体加热至催化剂温度、把产物冷却并冷凝分离氨、以及循环未反应气体，每步都有能量损失与不可逆的耗散；加上压缩机与换热器的效率低于 100%，故总能耗远高于理论值。评分：列出三项工序 2 分、不可逆与效率损失 1 分、组织与用语 1 分。
20	(d) 提出两项降低该厂能耗的具体措施，并各指出一项限制。（4 分）	答案：一是加装换热网络，用反应器出口气体预热入口气体，回收显热；限制为换热面积与设备投资增加，且温差太小时回收效益下降。二是改用更低压的合成回路或更活跃的催化剂，降低压缩功；限制为低压令单程转化率下降，循环气量与冷冻负荷反而上升。评分：每项措施 1 分、限制 1 分。

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