第4节 化学反应的调控（学生用书）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修第一册（人教版2019）

化学选择性必修1课堂学案 第四节 化学反应的调控 答案解析P 目标导航 [知识导图] [课程标准] 压园 1,认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活 合成氨条 思度 和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择 件的选择 保化剂 和优化。 脓发 2.能从限度，速事等角度对化学反应和化工生产条件进行 化学反应 的湖控 综合分析。 (续表) 课前·教材预案 即使在高温、高压下，合成氨反应仍然进行 川知识点1合成氨反应 得十分缓慢。目前工业普遍使用图 1.反应原理 催化剂，改变反应历程，降低反应的国 N2(g)+3H2(g)→2NH(g) 催化剂 ,使反应物在较低温度时能较快地进行 △H=-92.4kJ/mol 反应。该催化剂在500℃左右时的活性最 大。另外，为了防止混有的杂质使催化剂 2.反应特点 “中毒”，原料气必须经过圆 合成氨反应是一个能自发进行的、气体体积 回 的、②热的可逆反应。 ①采取国 的方法，使气态氨变 3.工业合成氨生产条件的选择 成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以 (1)增大合成氨反应速率的方法 促使化学平衡向生成NH的方向移动 浓度 ②将氨分离后的原料气园 ,并 团 温度一 4 城提益 及时补充氨气和氢气，使反应物保持一定的 合成氨的 5 反应物浓度 反应速率 浓度，以利于合成氨反应 使用⑥ 川知识点3化学反应的调控 (2)提高平衡混合物中氨的含量的方法 1.影响化学反应进行的因素 回温度 (1)参加反应的物质的图 19 ☒ 强 高 平衡混合物 氨的含式 和四 等本身因素。 四 反应物浓度一 (2)囫 网 川知识点2合成氨反应条件的控制 图 等反应条件。 合成氨时压强越大越好，但压强增大，会增 2.化学反应的调控 加生产投资，并可能降低综合经济效益。目 压强 (1)含义 前，我国的合成氨厂一般采用的压强为回 通过改变囡 使一个可能发生的反 MPa 应按照某一方向进行。 低温能提高平衡转化率，但会使化学反应速 (2)考虑实际因素 率回 ,这在工业生产中是很不经济 温度 ①结合团 、团 、网 的。目前，在实际生产中一般采用的温度为 等情况，综合考虑影响网 和 1 ℃ 团 的因素，寻找合适的生产条件。 ·54· 第二章 化学反应速率与化学平衡 ②根据团 及网 等方面的规 压 化案湿1X0Pa 1×10Pa 5×10Pa 1×10P 定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 温度 1自主测评引 450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 判断正误，正确的打“/”，错误的打“×”。 550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% (1)增大压强，反应速率加快，转化率增大，故 (1)根据上表中的数据分析，制取SO时为什么 合成氨压强越大越好。 不采用高压？ (2)合成氨温度选择500℃左右，主要是从反 应速率角度考虑。 ( (3)使用催化剂既能提高反应速率，也能增大 转化率。 ( (4)升高温度，化学反应速率一定增大，但转化 率不一定增大。 ) (2)在生产中，通入过量空气的目的是什么？ (⑤)化工生产时，选用催化剂要考虑催化效率 和反应的活性温度。 名师提醒 工业生产条件的选择要注意以下几，点： (1)既要注意反应条件对反应影响的一致性， (3)在实际生产中，选定400500℃作为操作温 又要注意反应条件对反应影响的矛盾性： 度，其原因是什么？ (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的 一致性，又要注意催化剂的活性对温度的 限制： (3)既要注意理论上的雪要，又要注意实际操 作上的可能性。 深度拓展 课堂·深度拓展 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 川探究点1化工生产反应条件的优化 有利于加 外界 有利于平衡移 互动探究 条件 快速率的 动的条件控制 综合分析结果 条件控制 硫酸工业中，通过下列反应使S)氧化成S)3: 增大反应 增大反应物的 不断补充反应 2S0.(g)+0.(g)催化剂2S0,(g 浓度 浓度，减小生 物，且及时分 △ 物的浓度 成物的浓度 离出生成物 △H=-198k·mol。如表为不同温度和压 加合适的 催化剂 催化剂 无影响 加合适的催化剂 强下SO的转化率(%)： ·55· 化学选择性必修1课堂学案 (续表) (2)图中曲线 (填“a”或“b”)表示加入铁 有利于加 外界 有利于平衡移 触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速 条件 快速率的 综合分析结果 动的条件控制 率的原理是 条件控制 兼顾速率和平 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分 △H<0 低温 衡，考虑催化 剂的适宜温度 数与压强、温度的关系如图所示。若曲线 对应的温度为500℃，则曲线b对应的温度 温度 高温 在设备条件允 许的前提下， 可能是 (填字母) △H>0 高温 尽量采取高温 NH. 并选取适宜的 催化剂 分数 在设备条件允 AV.<0 高压 许的前提下， 高压（有 尽量采取高压 010 30 60 p/MPa 压强 气体参 A.600℃B.550℃C.500℃D.450℃ 加) 兼顾速率和平 △V,>0低压 衡，选取适宜 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制 的压强 备。发生反应为CH(g)十HO(g)一 2.工业反应条件优化的解题思路 CO(g)+3H(g)△H>0。一定温度下，在 (1)抓住反应特点：热效应△H<0或△H>0、 11容器中发生上述反应，各物质的物质的量 反应前后气体体积变化△V.<0或△V>0。 浓度变化如表： (2)运用平衡规律：把外界条件对化学反应速 e(CH)/ c(H.O) c(CO)/ c(H)/ /min 率及化学平衡的影响和实际情况有机结合 mol·l. kmol·L Kmol·L (mol·L.1) 0 起来。 0.2 0.3 0 0 c 0.3 (3)准确分析数据：结合测定反应实验数据，准 3 0.3 确分析反应条件，解决化学反应的调控。 0.09 0.19 0.33 【例题】如图表示298.15K时，N2、H与NH3的 ①表中x :前2min内CH的平 平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图， 均反应速率为 据图回答下列问题： ②反应在3~4min之间，氢气的物质的量增 多的原因可能是 (填字母)。 =508 A.充入水蒸气 B.升高温度 E逆=0 C.使用催化剂 D.充人氢气 Ng+31, 2NILg) 【变式】存在平衡体系CO(g)十2H2(g)一 反成过程 CHOH(g)(正反应为放热反应)，为了增加 (1)若反应中生成2mol氨，则反应 甲醇的产量，提高生产效益，应采取的正确措 (填“吸热”或“放热”) k。 施是 () ·56 第二章化学反应速率与化学平衡 A.高温、高压 4.(化学反应的调控)工业上利用黄铁矿(FeS) B.适宜的温度、高压、催化剂 制取硫酸，其反应流程如下： C.低温、低压 烧50 18,3州浓位酸暖胶H 矿 第吸收 D.高温、高压、催化剂 I 课末·随堂演练 下列说法错误的是 () 1.(合成氨反应条件的控制)对于合成氨反应，达 A.反应①矿石粉碎的目的是提高反应速率和 到平衡后，下列分析正确的是 ( 矿石的转化率 A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B.反应②中即使通入过量的氧气，也不能将 B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大 SO,全部转化成SO C减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响 C.增大压强有利于反应②的进行 更大 D.过量的氨水吸收SO的化学方程式：2NH· D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 HO+SO2—(NH)S()3+H) 2.(合成氨反应条件的控制)工业合成氨是人类 5.(综合应用)合成氨工业对化 科学技术的一项重大突破。400℃(673K)下的 学工业和国防工业具有重要 合成氨反应：N(g)十3H(g)一2NH(g) 意义。工业合成氨生产示意 00,左 △H=-9L.8kJ/mol,△S=-198.11J/(mol·K) 图如图所示。 化闲 下列关于工业合成氨条件选择的说法，正确 铁镇烘 (1)X的化学式为 的是 (2)图中条件选定的主要原 20 MP- 50 MPa A.400℃下该反应的△G=+41.5kJ/mol,必 须降低温度以保证合成氨顺利进行 因是 (填字母编号)。 冷却设备 B.增压有利于合成氨平衡正向移动，因此实际 A.温度、压强对化学平衡的 和分西器 工业中反应压强越大越好 影响 C.通过液化分离的方式不断移除产品NH, B.铁触媒在该温度时活性大 有利于增大反应平衡常数，促进反应正向 C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 进行 (3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图 D.原料气进人合成塔之前，须经过干燥净化， 表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋 以防止催化剂中毒 势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是 3.(反应条件的优化与选择)一定条件下：2NO(g) ,当横坐标为温度时，变化趋势正确 一NO(g)△H<0。在测定NO的相对 的是 (填字母编号)。 分子质量时，下列条件中，测定结果误差最小 的是 ( A.温度0℃、压强50kPa B.温度130℃、压强300kPa C.温度100℃、压强100kPa D.温度130℃、压强50kPa 友情提示完成P课时作业（九）】 ·57方向移动，>，C项错误：加入催化剂，正、逆反应速率 和氧气的反应必须通电电解才可以进行，不属于自发过程， 以相同倍数增大，化学平衡不移动，=继，D项错误。 C项不属于自发进行的变化。 3.D解标反应CO)C(g)一C0(g)十C12(g)是气体体积增 探究点二 大的反应，减小压强平衡正向移动。达到平衡后，保持温度 2.(1)能。正反应为放热反应，由高能状态到低能状态，可自发 不变，将容器体积增加一倍，相当于减小压强，平衡向正反应 进行。 方向移动，C1的质量分数增大，C(OC1的平衡转化率增大， (2)不能。正反应为气体体积减小的反应，△S<0,混乱度减 A、B、C项错误：温度不变，反应的平衡常数不变，D项正确。 小，不能自发进行。 4.A解析增大反应物浓度的瓣间，逆反应速单不变，A项错 (3)能。△G=△H-T△S=-92.2kJ·mol1-298KX 误：反应前后气体分子数不变，压强变化不影响平衡移动，减 (-198.2)×103kJ·mo1·K1=-33.1364kJ·1<0. 小压强正、逆反应速率同等程度减慢，B项正确：先拐先平数 反应在298K时可以自发向正反应方向进行。 值大，说明乙的温度高于甲，升温平衡逆向移动，A的转化率 [例题2]C解析因该反应是气体体积减小的反应，故墒减 降低，C项正确：催化剂不影响平衡移动，可以缩短反应达到 小，A项错误：只使用催化剂便可使尾气发生转化，故此反 平衡所用时间，D项正确。 应能自发进行，B项错误：因嫡减小不利于反应自发进行， 故该反应常温下能自发进行的原因是反应放热，D项错误。 5.解桥1)T时，40~80s内，(N0,)=之(N0)=之 [变式2]C解析生成物气体化学计量数系数之和小于反应 0.60mol-0.40mal-0.00125mol·L1·s1。(2)由题 物气体化学计量系数之和，所以△S<0,则一T△S>0,根据 2L×40s △G=△H一T△S,因为能满足△G0,所以△H<0,A项正 图可知，T比T。先达到平衡状态，所以T>T,由于T平 确：△G越小，说明它能够反应的趋势更大，983K时两反应 街时(N))比T2平衡时(O)大，故升高温度，平衡向生 的△G相等，之后两反应的△G大小关系发生变化，则反应 成N)2的方向移动，即向吸热反应方向移动，所以△H>0。 主次趋势发生变化，所以983K是反应趋势变化的转折点， (3)A项，增大NO,的起始浓度相当于增大压强，平衡向左 B项正确：反应①的△S>0,则一△S<0,△G和T成反比， 移动，鼎诚小；B项，升高温度，平衡向右移动 所以斜率小于0，I。对应反应①，C项错误：当温度低于 983K时，14的△G更小，所以以反应②为主，产物以CO 为主，D项正确。 代}增大：C项，通入八O,相当于增大压强，平衡向左移 课末·随堂演练 动，品减小：D项，使用高效催化精，平衡不移动 1.C解析A项，湿衣服晾晒变千是衣服中的水吸收能量变为 水蒸气的过程，不能用焓判据判断；B项，硝酸铵溶于水为嫡 O不变。（④）A项，由题图可知，A,C两点平衡时温度 c(NO) 增加的过程，不能用捻判据判断：C项，水蒸气凝结为水放出 热量，可用焓判据判断；D项，CCO分解为吸热反应，不能 相同，C点对应压强大，反应速率大：B项，由题图可知，A、B 用焓判据判断。 两点平衡时压强相同，温度不同，A点NO,的体积分数大于 2.C解析△H一T△S<0时，反应能自反进行，△H>0,△S> B点，而反应NO(g)一2NO2(g)△H>0,温度升高，平 0,只有高温时，才能保证△H一T△S<0,即高温下该反应为 衡向右移动，NO2的体积分数增大，温度T>T,N2)的转 自发过程，低温下该反应为非自发进行，C符合题意。 化率A>B:C项，由题图可知，A,C两点平衡时温度相同，C 3.C解析△H一T△S<0反应能自发进行，一个反应能否自发 点对应压强大，NO的浓度大，故气体颜色C,点比A点深：D 进行与培变和嫡变的共同影响有关，焓变是一个与反应能否 项，由B项分析可知，T,>T,故由A点到B点需要降低 自发进行有关的因素，多数放热反应能自发进行，A、D项正 温度」 确：根据城增原理，体系的混乱程度越大，熵值趣大，B项正 答3(1)0.00125(2)>(3)AC(4)B 确：自发性只能用于判嘶过程的方向，而不能用于确定过程 第三节 化学反应的方向 是否一定会发生，C项错误。 课前·教材预案 4.B解析根据题意，要使反应能自发进行，则△了=△H一T△S0, 即有G=90k/d-TX-五8J/(d·0×10-3kJ/小]<0， 知识点一 94.0 kl/mol 1.(1)☐<☒能 图>团能 (2)固放热 固吸热 期T<75.8J/m0.K)X10K万入1.24×10K. 2.(1)☑S⑧混乱@>四>(2)回增加☑> 5.解析(1)该反应△>0、△S<0,代入△G=△H-T·△S得， (3)☒ 国能国<国能(4)7嫡增区熵减 △G>0,故不能实现该反应。(2)△H一T△S<0时，反应才能 知识点二 自发进行。a、b、c、d项反应△H>0,a项△S<0,△H L.国△G@kJ/mol I△G=△H-T△S T△S>0,该反应在任何温度下都不能自发进行：b、c,d项反 2.@减小(1)☒能 (2)四处于平衡状态(3)因不能 应的△S>0,在高温下均能自发进行。(3)△G=△H 【自主测评】 T△S0为自发反应，代入题给数据，整理得在T (1)×(2)/ (3)×(4)/(5)× 131.3kJ·mol 课堂·深度拓展 0.1337k:m0.K≈982.0K时该反应能自发进行， 探究点一 由此可知该反应在低温下不能自发进行。 答率(1)该反应△H>0,△S<0,△H-T△S>0,任何温度下 1.(1)不是，如H2和O方反应需要点燃。 (2)不是，如NH,C1和Ba(OH)2·8HO反应属于吸热反 均不能自发进行(2)a(3)不能 应，反应后生成物能量升高。 第四节 化学反应的调控 [例题1]C解扬自发过程可能需要一定条件才能自发进行， 课前·教材预率 如木炭的燃烧，A项错误：Fe十S一FeS是需要加热的自 知识点一 2.团减小小 ☑放 发过程，B项错送：CaCO,高温CaO+C0,+属于在高温下 3.(1)☒升高④增大固增大固催化剂 进行的非自发过程，D项错误。 (2)7降低 8增大增大 [变式1]C解扬红墨水滴入清水中能使整杯水变红，冰在室 知识点二 温下融化为水，铁器在潮湿空气中生锈等过程都是自发进 风10~30团减小☑400~5003铁触媒国活化能 行的，A、B、D项属于自发进行的变化：而水电解生成氢气 圆净化国迅速冷却团循环使用 ·211· 知识点三 物浓度，使正反应的反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度 1.(1)图组成网结构网性质(2)团温度 网压强 ☒浓 没有变化，所以逆反应的反应速率除间不变，然后逐渐减小， 度团催化剂 故减小反应物求度，对正反应的反应速率影响更大，C项错 2.(1)圆反应条件(2)国设备条件团安全操作 囚经济成 误：加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响程度相同，D 本图化学反应速率团化学平衡团环境保护图社会 项错误。 效益 2.D解析△G=△H-T·△S=-9I.8k/ml-673K× 【自主测评】 [-198.11×10-3kJ/(mol·K)]=+4L.5kJ/mol,但降低温 (1)×(2)×(3)×(4)/ (5) 度，会减小化学反应速率，不能保证合成氨顺利进行，A项错 课堂·深度拓展 误：增压有利于合成氨平衡正向移动，理论上压强越大越好， 探究点一 但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要 (1)在常压下S),的转化率已经很高(97.5%)，若采用高压，平 的动力也越大，会大大增加生产投资，因此实际工业中反应 衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的 一般采用的压强为10MPa~30MPa,B项错误：反应平衡常 成本，得不偿失 数只与温度有关，温度不变K值不变，C项错误：催化剂“中 (2)增大反应物)，的浓度，提高S)的转化率。 毒”是因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过 (3)①较高温度有利于加快反应速率，提高单位时间内SO的 程，因此为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须 产率：②在此温度下催化剂的活性高：③温度更高时，不利于反 经过净化，D项正确。 应正向进行，且增加成本。 3.D解析2NO(g)一NO,(g)△H<0,则升高温度和降 [例题]解析(1)由题图中能量变化可知，N与H具有的总能 低压强均有利于平衡逆向移动，使得()的含量增大，测定 量高于NH,具有的总能量，故该反应为放热反应，并且每 NO,的相对分子质量的误差最小，D项符合题意。 生成2 mol NH放出(600-508)kJ=92kJ热量。(2)合成 4,A解析黄铁矿粉碎和空气培烧生成二氧化硫，在接触室中 氧反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的 二氧化硫转化为三氧化硫，使用浓硫酸吸收得到浓硫酸。对 活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂 矿石进行粉碎，增大原料间接触面积从而增大反应速率，但 后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变 是不能政变矿石的转化率，A项错误：二氧化硫和氧气生成 时，升高温度，平衡向递反应方向移动，平衡混合物中NH 三氧化硫反应为可逆反应，故反应②中即使通入过量的氧 的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温 气，也不能将SO2全部转化成SO,B项正确：反应②为 度下平衡混合物中NH1的体积分数大于曲线a对应的 催化剂 2S0+0 2S0,是气体分子数减小的反应，增大压 NH的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应 的温度。(4)①前2min内CH的平均反应速率u(CH)= 强有利于反应②的正向进行且增加压强反应速率加快，C项 3)-号×032mI =0.05mol·L.1·min. 正确：过量的氨水吸收，二氧化硫完全转化为亚硫酸根离子， 2 min 化学方程式：2NH·HO+SO一(NH)SO.+HO, 由表分析2~3min时，反应达到平街状态，此时生成H的浓 D项正确。 度为0.3mol·L,列式可得： 5解析(1)原料气N和H经过一定条件下的反应，生成的 CH(g)+HOg=COXg)+3H (g) NH(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的 起始(mol·L1) 0.2 0.3 0 0 N2(Y)和H(Y)进行循环利用。(2)温度选择500℃左右并 03min转化d·L.1)0.1 0.1 0.1 0.3 不是从化学平衡的影响中分析得出的，而是因为催化剂在此 2和3in时(ml·L)0.1 0.2 0.1 0.3 温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率：压强选 34nin转化(ml·L1)0.01 0.01 0.01 0.03 择2050MPa是从化学平衡理论中分析得出的，压强越大， 4min时(ml·L1) 0.090.19 0.110.33 平衡向生成NH的方向移动，但不能过大，因为压强过大， 所以x=0.11。②3min时，若充入水蒸气，平衡向右移动， 对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)合成氨 4min时，水蒸气浓度应大于0.2mol·L1,A项错误：若升 的反应，压强增大，平衡向生成NH的方向移动，C曲线符 高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生成物浓度均 合：温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH的百分含量降 增加，且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之 低，曲线符合。 比，该条件符合要求，B项正确；使用催化剂，平衡不移动，C 答案(1)NH(2)BC(3)ca 项错误；充入H,平衡向左移动，反应物浓度均应大于 章末复习方案 2min时的浓度，D项错误。 答案(1)放热92(2)b改变了反应的历程，降低了合成氨反 1.C解析对比两个历程可知，历程Ⅱ中增加了催化剂，降低 应的活化能(3)D(4)①0.11Q.05mml·L.1·mim1②B 了反应的活化能，加快了反应速率。催化剂能降低活化能， 变式]B解析首先分析反应特，点，正反应为气体分子数减小 但是不能改变反应的捻变，因此E一E=E一E2,A项正 的放热反应：再分析题目要求，为了增加甲醇的产量，提高 确：已知CL(g)的相对能量为0，对比两个历程可知，CI(g)的 生产效益，即生成甲醇的反应速率要快，且甲醇的平衡浓度 相对能量为(E2一E)kJ·mol,则C1一C1键能为2(E2- 也应尽可能大：最后，理论和实际相结合作出判断： Ea)k·mol,B项正确：催化剂不能改变反应的平衡转化 率，因此相同条件下，O方的平衡转化率：历程Ⅱ=历程I, 影响因素 反应速率分析 化学平衡分析 综合选择 C项错误：活化能越低，反应速率越快，由图像可知，历程中第 温度 高温 低温 适宜温度 二步反应的活化能最低，所以速率最快的一步反应的热化学方 程式为：C((g)+(OXg(O(g)十C(g)△H=(E-E)k· 压强 高压 高压 高压 mo1,D项正确。 催化剂 使用催化剂 无影响 使用催化剂 2.C解析设反应I、Ⅱ、Ⅲ的格变分别为△H、△H、△H,由 盖斯定律可知，△H=△H十△H,因△H<0,△H<0,则 课末·随堂演练 △H>△H,A项正确：短时间里反应【得到的产物比反应 1,B解析合成氢反应的正反应是放热反应，升高温度，正、递 Ⅱ得到的产物多，说明反应I的速率比反应Ⅱ的速率快，速 反应的反应速率都增大，但是升温对吸热反应的反应速率影 率越快，其活化能越小，则反应活化能：反应I<反应Ⅱ，B 响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大， 项正确：产物I和产物Ⅱ存在可逆反应，则产物Ⅱ和产物1 A项错误：合成氯反应的正反应是气体体积减小的反应，增 的比值即该可逆反应的平衡常数K,由于平衡常数只与温度 大压强，对正反应的反应速率影响更大，B项正确：减小反应 有关，所以增加HC】浓度平衡时产物Ⅱ和产物1的比例不 ·212