2.4 化学反应的调控-【优化探究】2025-2026学年高中化学选择性必修1同步导学案配套课件 人教版（2019）双选

第四节　化学反应的调控 优化探究 第二章　化学反应速率与化学平衡 [课程标准要求]　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,对调控化学反应速率具有重要意义。 任务一　工业合成氨反应条件的理论分析 任务二　合成氨适宜条件的选择 课时作业　巩固提升 任务一　工业合成氨反应条件的理论分析 1.合成氨反应及其特点 (1)合成氨的反应 N2(g)+3H2(g) ⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·mol-1·K-1。 (2)反应的特点 ①可逆性:工业合成氨反应属于　　　　反应。  ②焓变:反应的焓变ΔH　　　　(填“>”“<”或“=”)0,属于　　　　(填“吸”或“放”)热反应。  可逆 < 放 ③熵变:反应的熵变ΔS　　　　(填“>”“<”或“=”)0,属于熵　　　(填“增”或“减”)的反应。  ④自发性:常温(298 K)下,ΔH-TΔS　　　　(填“>”“<”或“=”)0,反应____　　 (填“能”或“不能”)自发进行。  < 减 < 能 2.合成氨反应条件的理论分析 (1)从化学反应速率的角度分析 增大合成氨的反应速率的措施有　　　　　　、　　　　　　、 　　　　 　　及　　　　　　等。  (2)从化学平衡的角度分析 有利于提高平衡混合物中氨的含量的措施有　　　　　　　、 　　　　　　　、　　　　　　　　　等。  升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂 降低温度 增大压强 增大反应物浓度 3.数据分析:外界条件对合成氨反应的影响 请分析教材47页表2⁃2中数据,填空: (1)温度升高,氨的含量　　　　;这与速率是　　　　的。  (2)压强增大,氨的含量　　　　;这与速率是　　　　的。  降低 相矛盾 增大 相一致 1.工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应,在任何温度下都可自发进行。(　　) 2.合成氨反应是气体体积减小的反应,故实际生产中采用的压强越大越好。(　　) 3.合成氨工业生产中,N2和H2的转化率相等。(　　) 4.合成氨反应在提高反应速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。(　　) 5.增大反应物的浓度,减小反应产物的浓度,可以提高氨气的产率。 (　　) × × × × √ 实验研究表明,在特定条件下,合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3),请你根据该关系式分析,各物质的浓度对反应速率有哪些影响?可以采取哪些措施来提高反应速率? 提示:由合成氨反应的化学反应速率公式可知,在一定温度、压强下,化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系,与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下,可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度、使用合适的催化剂等措施来加快反应速率。 1.可逆反应:3H2(g)+N2(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,减小压强,增加氮气 B.降低温度,增大压强,加入催化剂 C.升高温度,增大压强,增加氮气 D.降低温度,增大压强,分离出部分氨 D 2.在N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1中v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1 (NH3),仅从使反应速率加快的角度来考虑,可采取的措施是(　　) ①减压　②加压　③升温　④降温　⑤补充N2 ⑥加催化剂　⑦减小N2或H2的量 A.③④⑤⑦　　　　　　 B.②④ C.①②⑥ D.②③⑤⑥ D 任务二　合成氨适宜条件的选择 1.合成氨的适宜条件分析 工业生产中,必须从　　　　　　和　　　　　　两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的　　　　,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的　　　　,同时还要考虑设备的要求和技术条件。  反应速率 反应限度 转化率 产量 2.工业合成氨的适宜条件 影响因素 选择条件 选择的依据 压强 　　　　　　　  ①　 ;  ②                                                                                                                ;  ③从设备投资与经济效益方面考虑,     10 MPa~30 MPa 增大反应速率 促进平衡正向移动,提高氨的产率和反应物的转化率 压强过大,设备投资将大幅增加 影响因素 选择条件 选择的依据 温度 反应温度控制在 　　　　　　左右  ① ;  ② 。  催化剂 选择　　　　作催化剂  _________________________ 400~500 ℃ 提高化学反应速率 催化剂在500 ℃左右时活性最大 铁触媒 提高化学反应速率 影响因素 选择条件 选择的依据 浓度 将　　　　及时从混合气中分离出去,分离后的原料气 　　　　　　,并及时补充　　　　　  _________________________ 氨 循环使用 N2和H2 提高氨的产率和原料利用率 特别提醒　生产过程中,原料气必须净化,目的是防止催化剂“中毒”。 3.化学反应调控 (1)影响化学反应进行的因素 参加反应的　　　　　　、　　　　和　　　　等本身因素; 　　　　、　　　　、　　　　、　　　　等反应条件。  (2)化学反应的调控 ①含义: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考虑因素:结合设备条件、安全操作、经济成本等综合分析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;考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 物质组成 结构 性质 温度 压强 浓度 催化剂 合成氨的反应中,为何将氮气、氢气的投料比定为1∶2.8呢? 提示:温度、压强一定时,N2与H2的体积比为1∶3时,平衡混合物中氨的含量最高;根据在特定条件下,v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3),提高H2的压强似乎更有利于提高合成氨反应的速率,但是,N2在催化剂上的吸附分解为总反应中最慢的步骤,即这是影响反应速率的关键步骤。实验表明,适当提高N2的比例,当N2与H2的物质的量之比为1∶2.8时更能加快合成氨反应的进行。 1.化学反应限度的调控在工业生产和环保技术等方面得到了广泛的应用,如果设法提高化学反应的限度,下列哪项不是其主要目的(　　) A.节约原料和能源　　 B.提高产品的产量 C.提高经济效益 D.提高化学反应速率 提高化学反应的限度,可使更多的反应物转化为生成物,提高产品的产量,提高原料的利用率,从而提高经济效益,但不一定能提高化学反应速率。 D 2.合成氨反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1, K=6.6×105。 (1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大了,还需要使用催化剂的原因是______________________________________________。  (2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动,工业合成氨采用400~500 ℃,不采用低温操作的理由是______________________________________。  加快化学反应速率,提高单位时间内氨的产量 温度低时反应速率小,单位时间内NH3的产量低 (3)试分析实际生产中采取400~500 ℃左右温度的原因是_________________________________________________________________________________________________________________。  (4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率,而实际采用的压强为10 MPa~30 MPa,不采用更高的压强,其原因是_______________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________。  温度过高,不利于提高反应物的转化率,温度过低,反应速率小,单位时间内NH3的产量低,并且在400~500 ℃时,催化剂的活性最大 实际生产中,应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。采用更高的压强,对设备和材料的要求越高,需要的动力越大,会增加投资和能量消耗,不经济 课时作业　巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 1 对点训练 题组一　工业合成氨反应条件的理论分析 1.下列关于工业合成氨:N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0的说法正确的是(　　) A.增大氮气的浓度,化学反应速率加快,平衡常数增大 B.该反应达平衡状态后,恒温恒容下充入氦气,则正反应速率增大,逆反应速率减小 2 3 4 5 6 7 8 1 C.该反应使用催化剂,加快反应速率的原因是降低了反应的活化能,提高了活化分子百分数 D.该反应中反应物的键能之和大于生成物的键能之和 答案:C 增大氮气的浓度,单位体积内活化氮气分子总数增大,化学反应速率加快,但化学平衡常数只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不变,A错误;该反应达平衡状态后,恒温恒容下充入氦气,氮气、氢气、氨气的浓度均不变,则正反应速率、逆反应速率均不变,B错误;催化剂能降低反应的活化能,部分普通分子转化为活化分子,故提高了活化分子百分数,有效碰撞概率增大,反应速率增大,C正确;工业合成氨反应为放热反应,则由ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能<0可知反应物的总键能<生成物的总键能,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 1 2.氨在国民经济中占有重要地位。 (1)合成氨工业中,合成塔中每产生2 mol NH3,放出92.4 kJ热量。写出合成氨反应的热化学方程式:　 ;  该可逆反应,若起始时向容器内放入2 mol N2和6 mol H2,达到平衡后放出的热量为Q,则Q　　　　(填“>”“<”或“=”)184.8 kJ。  2 3 4 5 6 7 8 1 N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1 < (1)工业合成氨是用氮气和氢气化合生成氨气,热化学方程式为N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1;反应是可逆反应,不能进行彻底,若起始时向容器中放入2 mol N2和6 mol H2,生成的氨气小于2 mol,故达平衡后放出的热量小于184.8 kJ。 2 3 4 5 6 7 8 1 (2)反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)的化学平衡常数表达式为　 　　。请结合下列数据分析,工业上选用氮气与氢气反应固氮,而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是___________________________________________ _____________。  2 3 4 5 6 7 8 1 序号 化学反应 K(298 K)的数值 ① N2(g)+O2(g)⥫⥬2NO(g) 5×10-31 ② N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g) 4.1×106 K= 氮气与氢气的反应限度大于氮气与氧气的反应 限度 (2)反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)的化学平衡常数表达式为生成物的浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值,为K=;由表知,反应②化学平衡常数K值大于反应①的,K值越大反应进行越完全,则工业上选用氮气与氢气反应固氮,而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是氮气与氢气的反应限度大于氮气与氧气的反应限度。 2 3 4 5 6 7 8 1 (3)在一定条件下氨的平衡含量如表。 2 3 4 5 6 7 8 1 温度/℃ 压强/Mpa 氨的平衡含量 200 10 81.5% 550 10 8.25% ①其他条件不变时,温度升高氨的平衡含量改变的原因是　　　　(填字母)。  a.温度升高,正反应速率减小,逆反应速率增大,平衡逆向移动 b.温度升高,浓度商(Q)变大,Q>K,平衡逆向移动 c.温度升高,活化分子数增多,反应速率加快 d.温度升高,K变小,平衡逆向移动 ②哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa,而非200 ℃、10 MPa,可能的原因是　 。  2 3 4 5 6 7 8 1 d 提高合成氨的反应速率 (3)①升高温度,正逆反应速率都增大,由于正反应放热,平衡逆向移动,导致氨的平衡含量减小,只有d符合。 ②工业生产中,要考虑反应的效率,应增大反应速率,则升高温度,不仅仅考虑转化率,还要考虑提高合成氨反应的化学反应速率。 2 3 4 5 6 7 8 1 (4)如图是合成氨反应平衡混合气中NH3的体积分数随温度或压强变化的曲线,图中L(L1、L2)、X分别代表温度或压强。其中X代表的是_______　　　　 (填“温度”或“压强”);判断L1、L2的大小关系并说明理由:______________ _________________________________________________________________________________。  2 3 4 5 6 7 8 1 压强 L1<L2,当压强一定时,温度升高,合成氨反应的平衡向逆反应方向移动,平衡混合气中NH3的体积分数减小 (4)合成氨反应是正向气体体积减小的放热反应,增大压强,平衡正向移动,平衡混合气中NH3的体积分数增大,升高温度,平衡逆向移动,平衡混合气中NH3的体积分数减小,由图可知,NH3的体积分数随着X的增大而增大,则说明X代表的是压强,L代表的是温度,相同压强下,L1的NH3的体积分数大于L2,合成氨反应为放热反应,压强相同时,升高温度, N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)平衡逆向移动,NH3的体积分数减小,则L1<L2。 2 3 4 5 6 7 8 1 题组二　合成氨适宜条件的选择 3.合成氨工业上采用了循环操作,主要原因是(　　) A.加快反应速率 B.提高NH3的平衡浓度 C.降低NH3的沸点 D.提高N2和H2的利用率 合成氨反应是可逆反应,采取循环操作的主要目的是提高N2和H2的利用率。 2 3 4 5 6 7 8 1 D 4.工业上用氮气和氢气合成氨:N2+3H2 2NH3(反应放热),从反应速率和化学平衡两方面看,合成氨的适宜条件一般为压强:10 MPa~30 MPa,温度:400~500 ℃左右,催化剂:铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是(　　) A.使用铁触媒,可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较快的反应速率 B.工业上选择上述条件下合成氨,可以使氮气全部转化为氨 C.上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D.温度升高,不利于提高氮气的转化率 2 3 4 5 6 7 8 1 B 铁触媒是该反应的催化剂,使用铁触媒,可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较快的反应速率,A正确;合成氨的反应是可逆反应,反应物的平衡转化率不可能达到100%,B错误;改变温度、反应物浓度、压强均可使合成氨正、逆反应速率以不同倍数增大、减小,故题述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响,C正确;合成氨反应是放热反应,温度升高,合成氨平衡逆向移动,故温度升高,不利于提高氮气的转化率,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 1 5.如图所示为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是(　　) A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率 C.步骤③④⑤均有利于提高原料转化率 D.产品液氨除可生产化肥外,还可用作制冷剂 2 3 4 5 6 7 8 1 C 合成氨使用含铁催化剂,为防止催化剂中毒,须将原料“净化”处理,A项正确;步骤②中“加压”,可增大氮气、氢气浓度,既能加快合成氨反应速率又能使平衡右移,提高原料转化率,B项正确;合成氨反应放热,步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率,同时使用催化剂也不能使平衡移动,步骤④⑤有利于提高原料的转化率,C项错误;产品液氨可用酸吸收生成铵态氮肥,液氨汽化时会吸收大量热,可用作制冷剂,D项正确。 2 3 4 5 6 7 8 1 6.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。 2 3 4 5 6 7 8 1 (1)X的化学式为　 。  (1)原料气N2和H2经一定条件下的反应,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 3 4 5 6 7 8 1 NH3 (2)图中条件选定的主要原因是　　　　(填字母)。  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 2 3 4 5 6 7 8 1 BC (2)温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的,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10 Mpa ~30 MPa是从化学平衡理论分析的,压强增大,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,这样不经济。 2 3 4 5 6 7 8 1 (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　　　　(填字母,下同),当横坐标为温度时,变化趋势正确的是　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 1 c a 综合强化 7.以丙烯(C3H6)、NH3、O2为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的化学方程式分别为 反应Ⅰ:2C3H6(g)+2NH3(g)+3O2(g)⥫⥬2C3H3N(g)+6H2O(g) 反应Ⅱ:C3H6(g)+O2(g)⥫⥬C3H4O(g)+H2O(g) 反应时间相同、反应物起始投料相同时,丙烯腈 产率与反应温度的关系如图所示(图中虚线表示 相同条件下丙烯腈平衡产率随温度的变化)。 2 3 4 5 6 7 8 1 下列说法正确的是(　　) A.其他条件不变,增大压强有利于提高丙烯腈平衡产率 B.图中X点所示条件下,延长反应时间或使用更高效催化剂均能提高丙烯腈产率 C.图中Y点丙烯腈产率高于X点的原因是温度升高导致反应Ⅰ建立的平衡向正反应方向移动 D.图中X点丙烯腈产率与Z点相等(T1<T2),则一定有Z点的正反应速率大于X点的正反应速率 2 3 4 5 6 7 8 1 B 反应Ⅰ正向是气体分子数增加的反应,增大压强有利于逆反应进行,故其他条件不变,增大压强会降低丙烯腈平衡产率,故A错误;X点并未达到平衡状态,故只需要使用更高效催化剂或者延长反应时间就可以增大反应程度,从而提高丙烯腈的产率,故B正确;图中Y点丙烯腈产率高于X点的原因是温度升高,反应速率加快,生成的丙烯腈更多,但反应未达到平衡,便不存在平衡移动的说法,故C错误;X点虽然温度更低,但是反应物浓度却更高,故无法判断X、Z两点的正反应速率大小,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 1 8.N2和H2生成NH3的反应为N2(g)+H2(g)⥫⥬NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。 化学吸附:N2(g)―→2N*;H2(g)―→2H* 表面反应:N*+H*⥫⥬NH*;NH*+H*⥫⥬N;N+H*⥫⥬N 脱附:N⥫⥬NH3(g) 其中N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。 2 3 4 5 6 7 8 1 请回答: (1)有利于提高平衡混合物中氨气含量的条件有　　　　　(填字母)。  A.低温 B.高温　 C.低压　 D.高压　 E.催化剂 2 3 4 5 6 7 8 1 AD (1)N2(g)+H2(g)⥫⥬NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应,据此分析。低温有利于平衡正向进行,有利于提高氨气产率, A符合题意;高温平衡逆向进行,不利于提高氨气产率,B不符合题意;低压平衡逆向进行,不利于提高氨气产率,C不符合题意;高压平衡正向进行,有利于提高氨气产率,D符合题意;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高氨气产率,E不符合题意。 2 3 4 5 6 7 8 1 (2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度为773 K,压强为3.0×107Pa,原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2适度过量的两个理由:___________________________________________________; _______________________________________________________________________。  2 3 4 5 6 7 8 1 原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率 N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,N2适度过量有利于提高整体的反应 速率 (2)原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8,原料气中N2过量的两个理由:原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率。 2 3 4 5 6 7 8 1 (3)下列关于合成氨工业的理解正确的是　　　　(填字母)。  A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B.当温度、压强一定时,向合成氨平衡体系中添加少量惰性气体,平衡正向移动 C.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移出,有利于反应正向进行 D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,防止催化剂“中毒” 2 3 4 5 6 7 8 1 ACD (3)合成氨反应是气体体积减小的放热反应,合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A正确;当温度、压强一定时,向合成氨平衡体系中添加少量惰性气体,总压不变,分压减小,平衡向左移动,B错误;NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移出,有利于反应正向进行,C正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得来,先将空气液化,再蒸馏得N2,甲烷与水在高温、催化剂的条件下反应生成CO和H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂“中毒”,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 1 $$