工業化學 — 哈柏法與接觸法

詳解：雖然該反應放熱，低溫有利於平衡向右移動提高產率，但低溫下反應速率極慢，無法達到工業要求的生產速率。因此工業採用較高溫度（450°C）以加快反應速率，同時使用鐵催化劑，並在高壓下進行以兼顧產率。選項 A 不正確，鐵催化劑在該溫度範圍仍有效；C 錯誤，低溫平衡常數更大；D 錯誤，反應仍可發生。

詳解：V₂O₅ 催化劑價格相對低廉，且對原料氣體中的雜質（如砷化合物）具有較強的抗中毒能力，壽命長。Pt 催化劑雖活性高，但價格昂貴且易被雜質毒化。Fe₂O₃ 活性較低。選項 A 不準確，V₂O₅ 最佳活性溫度約 400-500°C；C 無直接關聯；D 錯誤，SO₃ 吸收使用濃硫酸，非催化劑功能。

詳解：由於反應可逆，氨的產率受平衡限制。將氨液化分離可降低生成物濃度，使平衡向右移動，提高轉化率。未反應的 N₂ 和 H₂ 經循環壓縮機送回反應器，提高原料利用率。選項 A 只能加快速率，不影響平衡；C 加入更多氮氣雖可使氫氣轉化率提高，但會稀釋反應物，且工業上通常按化學計量比進料；D 低溫雖有利平衡，但速率極慢，不實用。

詳解：反應 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ 是氣體分子數減少的方向，增壓有利於平衡向右移動，氨的摩爾分數增加。但由於平衡移動受勒沙特列原理限制，摩爾分數不會加倍。從參考數據可知，200 atm 下約 0.15，400 atm 下約 0.25-0.30，選項 D 0.30 可能偏高，而 C 0.25 更合理。實際上 400 atm 時約 0.25。選項 A 錯誤，壓力增加不會使產率下降；B 錯誤，壓力有影響。

詳解：若用水直接吸收 SO₃，反應放熱劇烈，產生大量硫酸酸霧（微小液滴），難以從氣流中分離，導致損失且污染環境。改用濃硫酸吸收，SO₃ 與其中的水反應生成硫酸，同時濃硫酸的蒸氣壓低，不易形成酸霧。選項 A 雖有發煙硫酸生成，但主要目的是避免酸霧；C 不正確，吸收效率與酸性無直接關係；D 錯誤，不會生成 H₂S。

詳解：CO 會與鐵催化劑強烈吸附，佔據活性位點，導致催化劑中毒，降低反應速率。因此原料氣體需經過淨化脫除 CO。選項 A 不準確，CO 主要毒化催化劑而非直接競爭；B 雖然 CO 可能與 H₂ 反應，但在哈柏法條件下反應不明顯；D 錯誤，CO 不是催化劑。

詳解：N₂ 轉化率 20%，則反應的 N₂ 量 = 1000 mol × 0.20 = 200 mol。根據反應方程式：N₂ + 3H₂ → 2NH₃，每 1 mol N₂ 生成 2 mol NH₃，因此生成的 NH₃ = 200 × 2 = 400 mol。選項 A 誤用轉化率直接作為氨產量；C 可能誤算為 600（200×3）；D 可能誤用 H₂ 計算。

詳解：V₂O₅ 催化 SO₂ 氧化的公認機理涉及氧化還原循環：SO₂ 與 V₂O₅ 反應生成 VOSO₄（硫酸氧釩），然後 VOSO₄ 被 O₂ 氧化再生 V₂O₅ 並釋出 SO₃。選項 A 過於簡單，催化劑不直接提供氧原子；B 是催化劑一般作用，但未指出具體機理；D 錯誤，催化劑不改變平衡位置。

詳解：雖然增壓有利於平衡右移，但壓力過高對反應器的材質強度、壓縮機能耗等要求大幅提高，經濟上不划算。在 150-250 atm 下，氨的摩爾分數已可達 15-25%，繼續增壓帶來的產率增加不足以彌補成本。選項 A 錯誤，氨在高壓下更穩定；C 錯誤，壓力不影響催化劑活性；D 錯誤，壓力增加通常加快反應速率。

詳解：尾氣中的 SO₂ 是污染物，需去除後才能排放。石灰乳（Ca(OH)₂）與 SO₂ 反應生成亞硫酸鈣，可有效吸收 SO₂。選項 A 污染環境；C 不實際，循環會積累惰性氣體；D 冷卻無法有效分離低濃度 SO₂。