第2章 第4节 化学反应的调控（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（人教版2019 单选版）

第四节　化学反应的调控 课程标准 核心素养目标 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作用。 2．知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。 3．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。 1.证据推理与模型认知：从速率和平衡两个方面分析合成氨可能的条件，关注化学反应条件的选择与优化，基于事实，形成多角度调控化学反应的思路。 2．科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件，了解化学对社会发展的重大贡献。 [对应学生用书P46] 一、合成氨反应的特点及原理分析 1．反应特点 合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol，该反应是正向气体总体积减小、熵减小的放热反应。 2．原理分析 根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？ 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用催化剂 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 降低温度 增大压强 无影响 3.数据分析 根据教材表2－2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析： (1)提高反应速率的条件是升高温度、增大压强； (2)提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。 二、工业合成氨适宜条件的分析 1．压强 理论分析 压强越大，合成氨反应速率越大，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的含量越高 条件限制 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 实际选择 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa 2.温度 理论分析 温度越低，原料的利用率越高，平衡混合物中氨的含量越高 条件限制 温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的 实际选择 目前，合成氨在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃ 3.催化剂 (1)原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍进行得十分缓慢。 (2)选用条件：目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 (3)选择催化剂的理由：①改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。②为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 4．浓度 (1)原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍不够高。 (2)采取措施：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 三、化工生产中适宜条件的选择 1．影响化学反应进行的因素 (1)参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 (2)温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 2．化学反应的调控 ◆名师点拨 合成氨的原理分析 (1)从合成氨的原理入手，从速率和平衡两个角度预测合成氨的适宜条件。 (2)从不同条件下达到平衡时氨的含量入手，分析压强和浓度的改变对氨的产率的影响。 (3)从反应条件的一致性出发，确定合成氨的适宜条件。 ◆特别提醒 (1)升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大。 (2)降低温度、增大压强、增大反应物浓度等，有利于提高平衡混合物中氨的含量。 (3)催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 ◆特别提醒 合成氨生产的工艺流程 ◆归纳总结 工业合成氨的适宜条件 条件 适宜条件 压强 10 MPa～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 铁触媒 浓度 及时从混合气中分离出氨，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) 对于合成氨反应，达到平衡后： (1)升高温度，对正反应速率影响更大(　×　) (2)增大压强，对正反应速率影响更大(　√　) (3)减小反应物浓度，对逆反应速率影响更大(　×　) (4)使用催化剂，对逆反应速率影响更大(　×　) ◆名师点拨 选择适宜生产条件的基本思路 (1)从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变、熵变、反应的方向等角度分析反应的特点。 (2)根据反应特点，分析外界条件(温度、浓度、压强、催化剂等)对化学反应速率和限度的影响。 (3)从反应速率和限度的角度综合分析，充分考虑化工生产中动力、材料及设备实际情况等，选择适宜的生产条件。 [对应学生用书P48] 探究一 合成氨反应中速率和平衡的综合调控 1913年，一个年产量7 000吨的合成氨工厂建成并投产，实现了合成氨的工业化生产。从此，合成氨成为化学工业中迅速发展的重要领域。合成氨反应的原理为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol。工业合成氨生产流程图示如下： [问题设计] (1)欲增大氨合成塔中化学反应速率，可采取哪些有效措施？ 提示：增大N2和H2的浓度、增大压强、升高温度、使用催化剂等。 (2)分离器的作用是分离出液氨，其目的是什么？ 提示：分离出液氨，减小生成物的浓度，促使平衡向生成NH3的方向移动。 工业合成氨中生产条件的控制 【例1】 下图所示为工业合成氨的流程图。下列说法不正确的是(　　) A.步骤①中净化可以防止催化剂中毒 B．产品液氨除可生产化肥外，还可作制冷剂 C．步骤③、④、⑤均有利于增大原料的转化率 D．步骤②中加压可以增大原料的转化率和反应速率 C　解析：步骤①对原料气进行净化、干燥，获得纯净的N2和H2，经加压后在合成塔中进行催化反应，防止催化剂“中毒”，A正确；液氨可生产氮肥，由于液氨汽化吸收大量的热，可作制冷剂，B正确；步骤④和⑤有利于增大原料利用率，步骤③催化反应只增大反应速率，不能使平衡移动，故不能增大原料的转化率，C错误；加压可增大原料气的浓度，从而增大反应速率，并使平衡正向移动，增大原料的转化率，D正确。 1．合成氨反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＜0，在合成氨工业中常采取的下列措施不能用勒夏特列原理来解释的是(　　) A．及时补充氮气和氢气 B．使用铁触媒作催化剂 C．将氨液化及时分离出反应器 D．压强增至10 MPa～30 MPa B　解析：及时补充氮气和氢气，反应物浓度增大，平衡向正反应方向移动，有利于增大氨的产率，A正确；使用铁触媒作催化剂，化学平衡不移动，氨的产率不变，不能用勒夏特列原理来解释，B错误；将氨液化及时分离出反应器，生成物浓度减小，平衡向正反应方向移动，有利于增大氨的产率，C正确；该反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，有利于增大氨的产率，D正确。 探究二 形成多角度调控化学反应的思路 2022年10月31日15时37分，梦天实验舱由长征五号B遥四运载火箭在文昌航天发射场成功发射，并实现与空间站组合体交会对接，我国天宫空间站三舱T字构型组合体正式建成。空间站处理CO2的一种重要方法是将CO2收集、浓缩和还原，涉及反应：CO2(g)＋4H2(g)⥫⥬CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＜0。 [问题设计] (1)从焓变和熵变角度分析上述反应自发进行的条件。 提示：该反应的ΔH＜0、ΔS＜0，满足ΔG＝ΔH－TΔS＜0，低温下自发进行。 (2)欲增大化学反应速率，可采取哪些措施？欲增大CO2平衡转化率，可采取哪些措施？ 提示：增大反应物浓度、升高温度、增大压强、使用催化剂等；增大压强、增大H2的浓度、降低温度等。 (3)结合化学反应速率和化学平衡，总结上述反应理想的反应条件。 提示：增大反应物浓度、增大压强、适宜温度、使用催化剂等。 1．工业生产条件选择的三个要素 (1)注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，还要考虑二者影响的矛盾性。 (2)注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，还要考虑催化剂的活性对温度的要求。 (3)注意理论条件的需要，还要考虑实际生产(设备条件、安全操作、经济成本等)的可能性。 2．工业生产中选择适宜生产条件的理论依据 外界条件 有利于使反应速率增大的条件的控制 有利于平衡移动的条件的控制 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、及时分离出生成物 催化剂 使用合适的催化剂 无影响 使用合适的催化剂 温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾化学反应速率和化学平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 高温 兼顾实际生产条件，考虑催化剂的适宜温度 压强 高压(有气体参加) 气体分子数减小的反应 高压 在设备允许的前提下，尽量采取高压 气体分子数增大的反应 低压 兼顾化学反应速率和化学平衡 【例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＝－196.6 kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是(　　) 温度/℃ 平衡时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 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多转化为三氧化硫，应选择的条件是450 ℃、10 MPa B．在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃原因是考虑催化剂的活性最佳 C．在实际生产中，为了增大SO2的转化率可以无限量通入空气 D．在实际生产中，采用的压强为常压，原因是常压时转化率已经很高，增大压强对设备及成本要求太高 C　解析：由表格可知，450 ℃、10 MPa时，二氧化硫的转化率较高，因此为了使二氧化硫尽可能多的转化为三氧化硫，应选择的条件是450 ℃、10 MPa，A正确；虽然从理论上讲，温度越低，SO2的平衡转化率越大，但温度低时SO2的反应速率小，且催化剂的活性低，在400～500 ℃时，催化剂的活性最佳，对生产最有利，因此选定的温度为400～500 ℃原因是考虑催化剂的活性最佳，B正确；在实际生产中，为了增大SO2的转化率，通入稍过量的空气，若空气的通入量过多，不仅会增大能源消耗，还会增大动力消耗，对设备的要求也会提高，C错误；常压下二氧化硫的平衡转化率已经很高，虽然高压有利于增大原料的利用率，但高压对设备和动力的要求提高，成本增加，从经济效益考虑，常压对生产更有利，D正确。 2．丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。 已知： ①C4H10(g)＋O2(g)=== C4H8(g)＋H2O(g) ΔH1＝－119 kJ/mol ②H2(g)＋O2(g)===H2O(g)ΔH2＝－242 kJ/mol 丁烷(C4H10)脱氢制丁烯(C4H8)的热化学方程式为C4H10(g)⥫⥬C4H8(g)＋H2(g)　ΔH3。下列措施一定能增大该反应中丁烯平衡产率的是(　　) A．增大压强，升高温度 B．升高温度，减小压强 C．降低温度，增大压强 D．减小压强，降低温度 B　解析：根据盖斯定律，由①－②可得：C4H10(g)⥫⥬C4H8(g)＋H2(g)，则ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝(－119 kJ/mol)－(－242 kJ/mol)＝＋123 kJ/mol。增大该反应中丁烯的平衡产率，应使平衡正向移动，可采取的措施是减小压强、升高温度。 [对应学生用书P50] 1．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件 B　解析：合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率提高，A错误、B正确；合成氨工业选择400～500 ℃的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C错误；不论从反应速率还是化学平衡角度考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对材料的强度和设备的制造要求更高，需要动力也越大，因此一般选择10 MPa～30 MPa，D错误。 2．下列人们在生活、生产、实验中的相关措施中，不是用来调控化学反应速率的是(　　) A．将食物存放在温度低的地方 B．火力发电厂将烟囱建得很高 C．实验时，通常将颗粒状的固体药品研细混匀后进行反应 D．把催化剂投入溶液后再进行化学实验 B　解析：将食物存放在温度低的地方，温度降低，化学反应速率减小，是用来调控化学反应速率的措施，A正确；火力发电厂的烟囱是用来排放废气的，其高度不影响反应速率，不是用来调控化学反应速率的措施，B错误；将颗粒状的固体药品研细，固体表面积增大，化学反应速率增大，是用来调控化学反应速率的措施，C正确；使用催化剂能增大化学反应速率，是用来调控化学反应速率的措施，D正确。 3．工业上利用焦炭与水蒸气生产H2的反应原理为C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)　ΔH＞0；CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0；第二步生产的原料CO来源于第一步的产物。为提高原料的利用率及H2的日产量，下列措施不可取的是(　　) ①第一步产生的混合气直接作为第二步的反应物 ②第二步生产应采用适当的温度和催化剂 ③第一、二步生产中均充入足量水蒸气　④第二步应在低温下进行　⑤第二步生产采用高压　⑥第二步生产中增大CO的浓度 A．①③⑤ B．②④⑥ C．②③⑤ D．①④⑤⑥ D　解析：第一步产生的H2会使第二步的平衡逆向移动，故应先进行分离，①错误；第二步反应为放热反应，温度过低，反应速率太小会影响H2的日产量，温度过高则平衡逆向移动，且要考虑催化剂的活性，故应选择适当的温度和催化剂，②正确、④错误；增大廉价易得的水蒸气浓度可提高焦炭的利用率，③正确；压强对第二步反应无影响，不必采取高压，⑤错误；增大CO的浓度并未提高主要原材料焦炭的利用率，⑥错误。 4．工业上制备硫酸最重要的一步是SO2的催化氧化，发生反应为2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＜0。为了增大反应速率，并有利于SO3的吸收，需要对原料混合气体预热，同时对SO3气体降温。通常采用如图所示的热交换器(中间为空心管道)。下列说法不正确的是(　　) A．使用热交换器可以充分利用能源 B．a、b、c三处气体的组成相同 C．a、b、c、d四处的气体中均含有SO2 D．预热原料混合气主要是为了提高SO2的平衡转化率 D　解析：使用热交换器，充分进行热量交换，可以充分利用能源，A正确；从a处通入原料混合气体，经预热后原料混合气从b处流出，再从c处流入反应器，则a、b、c三处气体的组成相同，均为SO2和O2的混合气体，B正确；由于SO2→SO3的转化是可逆反应，故a、b、c、d四处的气体中均含有SO2，C正确；预热原料混合气，可提高反应的温度，增大反应速率，但不能增大SO2的平衡转化率，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$