第2章 第4节 化学反应的调控（讲义word）-【勤径学升】2024-2025学年高中化学选择性必修1同步练测（人教版2019）

第四节　化学反应的调控 学习目标 核心素养 1．探究工业合成氨生产条件的选择。 2．探究化学反应的调控问题。 1．变化观念与平衡思想：能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题。 2．证据推理与模型认知：建立认知模型，并能运用模型解释化学现象。 3．科学态度与社会责任：具有节约资源、保护环境的可持续发展意识，能对与化学有关的问题做出正确的价值判断。 [对应学生用书第36页] 一、合成氨反应的特点 反应 原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ/mol 反应特点 可逆性：反应为可逆反应 体积变化：正反应是体积减小的反应 焓变：ΔH<0　熵变：ΔS<0 自发性：ΔH－TΔS<0，常温下能自发进行 二、合成氨条件的选择 1．合成氨反应条件的选择原则 工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件。 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备的要求和技术条件。 2．合成氨反应的适宜条件 (1)压强 ①适宜条件：10_MPa～30_MPa； ②选择依据：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。 (2)温度 ①适宜条件：400～500_℃左右； ②选择依据：该温度下催化剂的活性最大，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。 (3)催化剂 适宜条件：以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。 (4)浓度 ①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8混合，适时分离出氨气； ②选择依据：适当提高N2的浓度，来提高H2的转化率。 (5)其他 兼顾环境保护和社会效益，为了提高原料的利用率，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。 三、化学反应的调控 1．影响化学反应进行的因素 (1)内因：参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 (2)外因：有温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。 2．化学反应的调控 (1)化学反应的调控，就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 (2)在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。 (3)要根据环境保护及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。 可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　) A．升高温度、降低压强、增加氨气 B．降低温度、增大压强、加入催化剂 C．升高温度、增大压强、增加氨气 D．降低温度、增大压强、分离出部分氨 答案　D [对应学生用书第37页] 要点　工业生产条件的调控 1．不同温度、压强下，合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表(N2和H2的起始物质的量之比为1∶3)。分析表中数据，什么状况时H2转化率最高？讨论实际工业生产为什么不选用该条件？ 氨的平衡 含量(%) 压强(MPa) 0.1 10 20 30 60 100 温度(℃) 200 15.3 81．5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71．0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31．4 提示：根据表中数据，200 ℃、100 MPa时H2的转化率最高，但是200 ℃时催化剂活性差，反应速率过低；100 MPa压强太大，对动力、材料、设备要求高。 2．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH<0。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2转化率的统计数据： 温度 不同压强下SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，使SO2尽可能多、尽可能快地转化为SO3，应选择的条件是什么？ (2)在实际生产中，选定450 ℃，其原因是什么？ (3)在实际生产中，采用的压强为常压，其原因是什么？ (4)在实际生产中，通入过量的空气，其原因是什么？ (5)尾气中的SO2必须回收，其原因是什么？ 提示：(1)低温、高压。 (2)该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；此温度下催化剂的活性最高。 (3)0.1 MPa(常压)下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，不仅SO2的转化率提高很少，且需要更大动力，对设备的要求更高，增加成本。 (4)增大O2浓度，提高SO2的转化率。 (5)SO2有毒，防止污染环境。 1．工业生产中适宜生产条件的选择思路 (1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体化学计量数的变化、焓变三个角度分析。 (2)根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和化学平衡的影响。 (3)从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，权衡利弊，选出适宜的条件。 2．工业生产条件的选择 影响 因素 有利于加快反应速率的控制 有利于平衡移动条件的控制 综合分析结果 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、减小生成物浓度 不断补充反应物、及时分离出生成物 压强 高压(有气体参加) ΔV<0 高压 设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔV>0 低压 兼顾速率和平衡、选取适宜的压强 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合适催化剂 催化 剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂，考虑催化剂活性与温度关系 [例]　某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　) A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量 [解析]　工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度越高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。 [答案]　D (湖南三湘协作体高二期中联考)如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是SO2的催化氧化：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＜0，下列说法正确的是(　　) A．该反应反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益 B．该反应为放热反应，为提高 SO2转化率，工业生产应尽可能在较低温度下反应 C．工业生产要求高效，应使用催化剂并控制在催化剂活性最佳的温度下反应 D．该反应为放热反应，在任何条件下都能自发进行，因为吸热反应是非自发的 解析　该反应反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强，有利于平衡正向移动，但增大压强对设备和动力要求很高，成本较高，效益可能不佳，A错误；该反应为放热反应，为提高SO2转化率，应尽可能在较低温度下反应，但温度过低会使反应速率太慢，经济效益低，B错误；为加快反应速率，应使用催化剂，则需要考虑催化剂的最佳活性温度，不一定温度越高反应速率越大，C正确；化学反应能否自发进行的判断依据是ΔG＝ΔH－TΔS，反应能否自发要综合焓变和熵变以及温度来判断，D错误。 答案　C [对应学生用书第38页] 1．(广东佛山一中高二月考)当反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是(　　) ①降低温度 ②恒压通入惰性气体 ③增加N2的浓度 ④缩小体积增大压强 A．①④ B．①② C．②③ D．③④ 解析　合成氨反应是放热反应，降低温度平衡向正反应方向移动，氮气转化率增大，①正确；该反应是反应后气体分子数减小的反应，恒压通入惰性气体，容器容积增大，相当于减小压强，平衡向逆反应方向移动，氮气转化率降低，②错误；增加氮气浓度，平衡向正反应方向移动，但氮气转化率降低，③错误；增大压强平衡向正反应方向移动，氮气转化率增大，④正确。故 A 正确。 答案　A 2．SCR法是工业上消除氮氧化物的常用方法，反应原理为4NH3(g)＋4NO(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0。该法可能发生副反应4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)。投料比一定时，下列说法中不正确的是(　　) A．提高NO平衡转化率的条件是高温高压 B．提高NO平衡转化率的条件是低温低压 C．减少副反应的措施是选择合适的催化剂 D．减少副反应的措施是控制O2的用量 解析　4NH3(g)＋4NO(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)是正向气体总分子数增加的放热反应，减小压强、降低温度，平衡正向移动，NO平衡转化率提高，A错误，B正确；选择合适的催化剂，提高反应的选择性，减少副反应的发生，C正确；在O2足量时，易发生副反应，故控制O2的用量，可减少副反应的发生，D正确。 答案　A 3．(天津第三中学高二期中)德国化学家哈伯在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是(　　) A．增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率 B．升高温度既可以加快反应速率，又可以提高平衡转化率 C．冷却过程中采用热交换有助于节约能源 D．原料循环使用可提高其利用率 解析　合成氨的热化学化学方程式为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＜0。增大压强可以加快合成氨的反应速率，平衡正向移动，可以提高原料转化率，A正确；合成氨反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低平衡转化率，B错误；冷却过程中采用热交换，有助于节约能源，C正确；原料循环使用，充分利用原料，可提高其利用率，D正确。 答案　B 4．(青岛高二检测)下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[投料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]如下表： (1)比较200 ℃和300 ℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________(选填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为________(选填“吸热”或“放热”)反应。 (2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是________。 A．高温高压 B．高温低压 C．低温高压 D．低温低压 (3)500 ℃，30 MPa时N2的转化率为________。 (4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500 ℃对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：_________________________________。 解析　(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。 (2)由反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。 (3)假设N2的用量为1 mol，H2的用量为3 mol，N2的消耗量为x mol，则： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 得：×100%＝26.4% x≈0.417 7 α(N2)＝×100%≈41．77% (4)增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，500 ℃时加入合适的催化剂(铁)，可提高化学反应速率。 答案　(1)逆反应　放热　(2)C　(3)41．77%　(4)加过量N2[或及时从平衡体系中移走NH3或选择合适的催化剂(如铁)] 学科网（北京）股份有限公司 $$