2.4 化学反应的调控(word教参)-【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）

第四节　化学反应的调控 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。 2.能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。 （见学生用书P54） 1　合成氨反应 1.反应原理 N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＝－92.4 kJ/mol 2.反应特点 合成氨反应是一个能自发进行的、气体体积　􀀁减小　的、　􀀂放　热的可逆反应。 3.工业合成氨生产条件的选择 （1）增大合成氨反应速率的方法 （2）提高平衡混合物中氨的含量的方法 2　合成氨反应条件的控制 压强 合成氨时压强越大越好，但压强增大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为　⑩10～30　MPa 温度 低温能提高平衡转化率，但会使化学反应速率　⑪减小　，这在工业生产中是很不经济的。目前，在实际生产中一般采用的温度为　⑫400～500　℃ 催化剂 即使在高温、高压下，合成氨反应仍然进行得十分缓慢。目前工业普遍使用　⑬铁触媒　催化剂，改变反应历程，降低反应的　⑭活化能　，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。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“中毒”，原料气必须经过　⑮净化　 浓度 ①采取　⑯迅速冷却　的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。②将氨分离后的原料气　⑰循环使用　，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应 3　化学反应的调控 1.影响化学反应进行的因素 （1）参加反应的物质的　⑱组成　、　⑲结构　和　⑳性质　等本身因素。 （2）　㉑温度　、　㉒压强　、　㉓浓度　、　㉔催化剂　等反应条件。 2.化学反应的调控 （1）含义 通过改变　㉕反应条件　使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 （2）考虑实际因素 ①结合　㉖设备条件　、　㉗安全操作　、　㉘经济成本　等情况，综合考虑影响　㉙化学反应速率　和　㉚化学平衡　的因素，寻找合适的生产条件。 ②根据　㉛环境保护　及　㉜社会效益　等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）增大压强，反应速率加快，转化率增大，故合成氨压强越大越好。（　×　） （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。（　√　） （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，又要注意反应条件对反应影响的矛盾性； （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）既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。 （见学生用书P55） 1　化工生产反应条件的优化 硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g） ΔH＝－198 kJ·mol－1。如表为不同温度和压强下SO2的转化率（％）： 压强转化率温度 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 450 ℃ 97.5％ 99.2％ 99.6％ 99.7％ 550 ℃ 85.6％ 94.9％ 97.7％ 98.3％ （1）根据上表中的数据分析，制取SO3时为什么不采用高压？ （2）在生产中，通入过量空气的目的是什么？ （3）在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是什么？ （1）在常压下SO2的转化率已经很高（97.5％），若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。 （2）增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率。 （3）①较高温度有利于加快反应速率，提高单位时间内SO3的产率；②在此温度下催化剂的活性高；③温度更高时，不利于反应正向进行，且增加成本。 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 外界 条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡移动的条件控制 综合分析结果 浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度，减小生成物的浓度 不断补充反应物，且及时分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取适宜的催化剂 压强 高压（有气体参加） ΔVg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔVg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2.工业反应条件优化的解题思路 （1）抓住反应特点：热效应ΔH＜0或ΔH＞0、反应前后气体体积变化ΔVg＜0或ΔVg＞0。 （2）运用平衡规律：把外界条件对化学反应速率及化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。 （3）准确分析数据：结合测定反应实验数据，准确分析反应条件，解决化学反应的调控。 【例题】如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： （1）若反应中生成2 mol氨，则反应　　　　（填“吸热”或“放热”）　　　　kJ。 （2）图中曲线　　　　（填“a”或“b”）表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是　　　　。 （3）合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是　　　　（填字母）。 A.600 ℃ B.550 ℃ C.500 ℃ D.450 ℃ （4）合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4（g）＋H2O （g）CO（g）＋3H2（g）　ΔH＞0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如表： t/min c（CH4）/ （mol·L－1） c（H2O）/ （mol·L－1） c（CO）/ （mol·L－1） c（H2）/ （mol·L－1） 0 0.2 0.3 0 0 2 c1 c2 c3 0.3 3 c1 c2 c3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝　　　　；前2 min内CH4的平均反应速率为　　　　。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是　　　　（填字母）。 A.充入水蒸气 B.升高温度 C.使用催化剂 D.充入氢气 解析　（1）由题图中能量变化可知，N2与H2具有的总能量高于NH3具有的总能量，故该反应为放热反应，并且每生成2 mol NH3放出（600－508） kJ＝92 kJ热量。（2）合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。（3）对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3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2 min内CH4的平均反应速率v（CH4）＝v（H2）＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1，列式可得： 　 　　　　　　　　　　CH4（g）＋H2O（g）CO（g）＋3H2（g） 起始（mol·L－1） 0.2 0.3 0 0 0～3 min转化（mol·L－1） 0.1 0.1 0.1 0.3 2和3 min时（mol·L－1） 0.1 0.2 0.1 0.3 3～4 min转化（mol·L－1） 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min时（mol·L－1） 0.09 0.19 0.11 0.33 所以x＝0.11。②3 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应大于0.2 mol·L－1，A项错误；若升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生成物浓度均增加，且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之比，该条件符合要求，B项正确；使用催化剂，平衡不移动，C项错误；充入H2，平衡向左移动，反应物浓度均应大于2 min时的浓度，D项错误。 答案：（1）放热　92　（2）b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　（3）D （4）①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B 【变式】存在平衡体系CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g）（正反应为放热反应），为了增加甲醇的产量，提高生产效益，应采取的正确措施是（　　） A.高温、高压 B.适宜的温度、高压、催化剂 C.低温、低压 D.高温、高压、催化剂 答案　B　 解析　首先分析反应特点，正反应为气体分子数减小的放热反应；再分析题目要求，为了增加甲醇的产量，提高生产效益，即生成甲醇的反应速率要快，且甲醇的平衡浓度也应尽可能大；最后，理论和实际相结合作出判断： 影响因素 反应速率分析 化学平衡分析 综合选择 温度 高温 低温 适宜温度 压强 高压 高压 高压 催化剂 使用催化剂 无影响 使用催化剂 （见学生用书P57） 1.（合成氨反应条件的控制）对于合成氨反应，达到平衡后，下列分析正确的是（　　） A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 答案　B　 解析　合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆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响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，A项错误；合成氨反应的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，B项正确；减小反应物浓度，使正反应的反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应的反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，C项错误；加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响程度相同，D项错误。 2.（合成氨反应条件的控制）工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。400 ℃（673 K）下的合成氨反应：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－91.8 kJ/mol，ΔS＝－198.11 J/（mol·K）下列关于工业合成氨条件选择的说法，正确的是（　　） A.400 ℃下该反应的ΔG＝＋41.5 kJ/mol，必须降低温度以保证合成氨顺利进行 B.增压有利于合成氨平衡正向移动，因此实际工业中反应压强越大越好 C.通过液化分离的方式不断移除产品NH3，有利于增大反应平衡常数，促进反应正向进行 D.原料气进入合成塔之前，须经过干燥净化，以防止催化剂中毒 答案　D　 解析　ΔG＝ΔH－T·ΔS＝－91.8 kJ/mol－673 K×[－198.11×10－3 kJ/（mol·K）]＝＋41.5 kJ/mol，但降低温度，会减小化学反应速率，不能保证合成氨顺利进行，A项错误；增压有利于合成氨平衡正向移动，理论上压强越大越好，但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，会大大增加生产投资，因此实际工业中反应一般采用的压强为10 MPa～30 MPa，B项错误；反应平衡常数只与温度有关，温度不变K值不变，C项错误；催化剂“中毒”是因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程，因此为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化，D项正确。 3.（反应条件的优化与选择）一定条件下：2NO2（g）N2O4（g）　ΔH ＜0。在测定NO2的相对分子质量时，下列条件中，测定结果误差最小的是（　　） A.温度0 ℃、压强50 kPa B.温度130 ℃、压强300 kPa C.温度100 ℃、压强100 kPa D.温度130 ℃、压强50 kPa 答案　D　 解析　2NO2（g）N2O4（g）　ΔH ＜0，则升高温度和降低压强均有利于平衡逆向移动，使得NO2的含量增大，测定NO2的相对分子质量的误差最小，D项符合题意。 4.（化学反应的调控）工业上利用黄铁矿（FeS2）制取硫酸，其反应流程如下： 下列说法错误的是（　　） A.反应①矿石粉碎的目的是提高反应速率和矿石的转化率 B.反应②中即使通入过量的氧气，也不能将SO2全部转化成SO3 C.增大压强有利于反应②的进行 D.过量的氨水吸收SO2的化学方程式：2NH3·H2O＋SO2（NH4）2SO3＋H2O 答案　A　 解析　黄铁矿粉碎和空气焙烧生成二氧化硫，在接触室中二氧化硫转化为三氧化硫，使用浓硫酸吸收得到浓硫酸。对矿石进行粉碎，增大原料间接触面积从而增大反应速率，但是不能改变矿石的转化率，A项错误；二氧化硫和氧气生成三氧化硫反应为可逆反应，故反应②中即使通入过量的氧气，也不能将SO2全部转化成SO3，B项正确；反应②为2SO2＋O22SO3，是气体分子数减小的反应，增大压强有利于反应②的正向进行且增加压强反应速率加快，C项正确；过量的氨水吸收，二氧化硫完全转化为亚硫酸根离子，化学方程式：2NH3·H2O＋SO2（NH4）2SO3＋H2O，D项正确。 5.（综合应用）合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。 （1）X的化学式为　　　　。 （2）图中条件选定的主要原因是　　　　（填字母编号）。 A.温度、压强对化学平衡的影响 B.铁触媒在该温度时活性大 C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 （3）改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是　　　　，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是　　　　（填字母编号）。 解析　（1）原料气N2和H2经过一定条件下的反应，生成的NH3（X）冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2（Y）和H2（Y）进行循环利用。（2）温度选择500 ℃左右并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温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率；压强选择20～50 MPa是从化学平衡理论中分析得出的，压强越大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。（3）合成氨的反应，压强增大，平衡向生成NH3的方向移动，c曲线符合；温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的百分含量降低，a曲线符合。 答案：（1）NH3　（2）BC　（3）c　a 学科网（北京）股份有限公司 $$