第二章 第四节 化学反应的调控（讲义及解析）-2024-2025学年高二化学选择性必修1（人教版2019）

化学反应原理(周星星·化学） 第四节 化学反应的调控 课前思考 钢铁生产是十七世纪从英国开始的第一次产业革命的两大产业之一。高炉炼铁的主要反应是： Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 其中CO的反应是 C+O2CO2 ① CO2+C2CO ② 炼制1吨生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，且从高炉炉顶出来的气体中含有没有利用的CO气体。开始，炼铁工程师们认为是因为CO与铁矿石接触不充分，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的比例竟然没有改变。这成了炼铁技术中的科学悬念。有关人士一直在探究其中的原因，直到十九世纪下半叶，法国科学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一迷底解开。原来，产生上述现象的原因是反应②是一个可逆反应，并且至上而下发生在高炉中有焦炭的地方。后来的研究说明，在高炉中Fe2O3和CO反应也不能全部转化为Fe和CO2。 那么，有什么方法可以对化学反应进行调控，让其尽可能多地转化为目标产物呢？ 一、合成氨反应的原理分析 1．合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 (1)可逆性：反应为可逆反应 (2)体积变化(熵变)：ΔS＜0，正反应是气体体积缩小的反应 (3)焓变：ΔH＜0，是放热反应 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行 2．原理分析：根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 温度 催化剂 浓度 【对点训练1】 1．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) 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 2．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大体积使压强减小　 ②减小体积使压强增大　 ③升高温度　 ④降低温度　 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　 ⑧使用催化剂 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ 3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是(　　) A．使用铁触媒，使和混合气体有利于合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C．700K左右比室温更有利于合成氨的反应 D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 2、 合成氨反应的数据分析 下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4 思考与交流： ①合成氨的反应，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？ ②综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢? 三、工业合成氨的适宜条件 1．从压强、温度、催化剂等方面考虑合成氨的适宜条件 (1)压强 ①原理分析：压强越大越好 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 (2)温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃ ③不采用低温的理由：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 ④升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是：合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低；400～500℃催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱(催化剂失活) 注意 工业生产中，必须从反应限度和反应速率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转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件 (3)催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢 ②选用条件：通常采用加入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：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进行反应 另外，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的转化率仍较低 ②采取的措施：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 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应 2．工业合成氨的适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 温度 催化剂 浓度 3．合成氨的工艺流程 【对点训练2】 1．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 2．下列有关合成氨工业的说法中，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 3．对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是(　　) ①高温　②低温　③低压　④高压　⑤催化剂　⑥加氨　⑦除氨 A．②④⑤ B．②④⑦ C．①④⑤ D．②③⑥ 4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 5．下列关于工业合成氨的叙述正确的是(　　) A．工业合成氨温度选择为700 K左右，主要是为了提高NH3产率 B．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 C．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率 D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 6．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是(　　) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C．采用700 K左右的高温而不是900 K的高温 D．采用1×107～3×107 Pa的压强 7．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　) A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ 8．下表所列实验数据是在不同温度和压强下达到平衡状态时，混合物中NH3的含量（体积分数）的变化情况[投料比V(N2):V(H2)=1:3 温度/℃ 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 （1）比较200℃和300℃时的数据，可判断出升高温度，平衡向 （填“正反应”或“逆反应”）方向移动，合成氨的正反应为_________（填“吸热”或“放热”）反应。 （2）根据平衡移动原理，合成氨的适宜条件是_________（填序号） 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）工业中实际生产氨时，考虑到浓度对化学平衡及反应速率的影响，常采取的措施有： 。 四、工业合成适宜条件的选择 1．选择工业合成适宜条件的原则 (1)考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 (2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件 (3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况 (4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求 2．选择工业合成适宜条件的分析角度 分析角度 原则要求 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制 3．选择适宜工业生产条件的流程 (1)分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等 (2)原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件 (3)根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选 (4)根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件 4．选择工业合成适宜条件的参考依据 外界 条件 有利于加快 速率的条件控制 有利于平衡 正向移动的条件控制 综合分析结果 浓度 催化剂 温度 ΔH＜0 ΔH＞0 压强 Δνg＜0 Δνg＞0 【对点训练3】 1．下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是(　　) A．牛奶放在冰箱中冷藏 B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物 C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂 D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu－Zn－Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 3．合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 4．丙烯腈(CH2==CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2==CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题： 以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下： ①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1 ②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g) ΔH＝－353 kJ·mol－1 (1)两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是__________________________________________________ (2)有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是_________________________________________________ (3)提高丙烯腈反应选择性的关键因素是___________________________________ 5．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)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。 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 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是__________________ (2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是____________________________________________ (3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是____________________________________________________ (4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是______________________________________________________ (5)尾气中SO2必须回收，原因是______________________________________________________________ 1．下列生产、生活等实际应用，不能用勒夏特列原理解释的是(　　) A．合成氨工业中，温度越高越有利于氨的合成 B．合成氨工业通常采用20 MPa～50 MPa压强，以提高原料的利用率 C．合成三氧化硫过程中使用过量的氧气，以提高二氧化硫的转化率 D．实验室中用排饱和食盐水的方法收集氯气 2．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107~3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 3．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(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廉价易得，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 4．工业上用氢气和氮气合成氨的反应是放热反应，在氨的实际合成生产时温度常控制在700 K左右，原因是(　　) A．高温有利于提高反应的转化率 B．高温可增大反应的限度 C．700 K时反应催化剂活性最强，反应速率快 D．高温才可以自发向右进行 5．下列说法不符合生产实际的是(　　) A．硫酸工业的尾气中含有少量SO2，可用石灰水吸收，然后再用硫酸处理 B．工业上，常采用铁触媒催化剂，在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下合成氨 C．工业合成氨造气中产生的CO，可在催化剂作用下，与水蒸气反应生成CO2和H2 D．在硫酸生产中，SO2催化氧化选择1～10 MPa、400～500 ℃条件下进行 6．有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　) A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以合成氨工厂的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨工厂采用的压强是10～30 MPa，因为在该压强下铁触媒的活性最大 7．下列说法正确的是(　　) A．向燃烧的炭中加入KClO3固体，燃烧更旺，KClO3作催化剂 B．工业上将矿石粉碎，增加了接触面积，加快反应 C．对于合成氨反应，延长时间有利于氨气的制备 D．恒温恒容，向合成氨反应的容器中通氖气，压强变大，反应加快 8．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：①2C(焦炭)＋O2(空气)===2CO； ②Fe2O3＋3CO===2Fe＋3CO2该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需其主要原因是(　　) A．CO过量 B．CO与铁矿石接触不充分 C．炼铁高炉的高度不够 D．CO与Fe2O3的反应有一定限度 9．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　) A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大 C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率 10．在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　) A．改变条件后速率—时间图像如图所示 B．此过程中Q＞K C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的转化率增大 11．2007年诺贝尔化学奖授予德国化学家格哈德·埃特尔，以表彰其在固体表面化学研究领域作出的开拓性贡献。如图是氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程示意图，下列有关合成氨反应的叙述中不正确的是(　　) A．过程②吸收热量，过程③均放出能量 B．常温下该反应难以进行，是因为常温下反应物的化学键难以断裂 C．在催化剂的作用下，该反应的ΔH变小而使反应变得更容易发生 D．该过程表明，在化学反应中存在化学键的断裂与形成 12．某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)＜K(B) C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大 D．升高温度，平衡常数K增大 13．二氧化氮存在下列平衡2NO2 (g)N2O4(g)；ΔH＜0。在测定NO2 相对分子质量时，下列条件中较为适宜的是(　　) A．温度130℃，压强3.03×105pa B．温度25℃， 压强1.01×105pa C．温度130℃，压强5.05×104pa D．温度0℃， 压强5.05×104pa 14．在密闭容器中，一定条件下，进行如下反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)；ΔH=-373.2 kJ/mol，达到平衡后，为提高该反应的速率和NO的转化率，采取的正确措施是(　　) A．加催化剂同时升高温度 B．加催化剂同时增大压强 C．升高温度同时充入N2 D．降低温度同时增大压强 15．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　 ΔH＜0，673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．c点处反应达到平衡 B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同 C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大 D．a点的正反应速率比b点的小 16．硝酸生产中，500℃时，NH3和O2可能发生如下反应： ①4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－9072kJ·mol－1 K＝1.1×1026 ②4NH3(g)＋4O2(g)2N2O(g)＋6H2O(g) ΔH＝－1105kJ·mol－1K＝4.4×1028 ③4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g) ΔH＝－1269kJ·mol－1 K＝7.1×1034 其中，②、③是副反应．若要减少副反应，提高NO的产率，最合理的措施是(　　) A．减小压强 B．降低温度 C．增大O2浓度 D．使用合适的催化剂 17．工业合成氨的反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0。下图是当反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在200℃、400℃、600℃下，反应达到平衡时，混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线。下列叙述错误的是(　　) A．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)＝K(Q)＞K(N) B．加催化剂能加快反应速率但H2的平衡转化率不变 C．相同压强下，投料相同，达到平衡消耗时间关系为a＞b＞c D．由曲线a可知，当压强增加到100 MPa以上时，NH3的物质的量分数可达到100% 18．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0×105 Pa、反应时间3 h)： T/K 303 313 323 353 NH3生成量/×10－6 mol 4.8 5.9 6.0 2.0 相应的热化学方程式如下：N2(g)＋3H2O(l)2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝＋765.2 kJ· mol－1 回答下列问题： (1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：_______________________________________________________________________ (2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算： ①该条件下N2的平衡转化率为_________ ②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为_________ ③根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是_________ a．研制耐高压的合成塔 b．采用超大规模的工业生产 c．研制耐低温复合催化剂 d．探索不用H2和N2合成氨的新途径 19．在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1 (1)根据反应特点，利用原理分析，增大反应速率的措施有___________________________________，增大原料转化率的措施有______________ (2)利用下表实验数据回答问题： 温度 平衡时SO2的转化率(%) 1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 ①应选择的温度是_______，理由是____________________________________________________ ②应采用的压强是_______，理由是____________________________________________________ 20．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤，压强及温度对SO2的转化率的影响如表(原料气各成分的体积分数为：SO27%，O211%，N282%)： （1）利用表中数据判断SO2的氧化反应是 反应(填“放热”或“吸热”)。 温度/℃ 不同压强下的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 10MPa 400 99.2 99.6 99.7 99.9 500 93.5 96.9 97.8 99.3 600 73.7 85.8 89.5 96.4 （2）根据表中数据，考虑综合经济效益，你认为工业上SO2催化氧化时适宜的压强为 ，理由 。 （3）温度选为400-500之间的原因 。 （4）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的平衡转化率？ (填“是”或“否”)。 （5）为提高SO3吸收率，实际生产中用 吸收SO3。 （6）将1molSO3充入一真空密闭容器中，一定条件下达到平衡，此时SO3所占体积分数为M%，若在同样条件下最初投入2molSO3，反应达平衡时SO3所占体积分数为N%，则M% N%(填“大于”，“等于”或“小于”)。 答案及解析 一、 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度 二、平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的 三、 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa) 温度 适宜温度，400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 四、 外界 条件 有利于加快 速率的条件控制 有利于平衡 正向移动的条件控制 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 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 不需要 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，尽量采取高温并考虑催化剂的活性 压强 高压(有气体参加) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 【对点训练1】 1．B。解析：A项，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，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨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，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，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，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。 2．C。解析：根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。 3．【答案】B 【详解】 A．使用催化剂，能加快反应速率，但对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符合题意； B．成氨反应是反应前后气体总物质的量减小的反应，加压可使平衡正向移动，有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意； C．合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700K左右是考虑催化剂的活性和加快反应速率，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意； D．循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。 答案选B。 【对点训练2】 1．D。解析：降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在700 K左右；增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，要选择催化剂，故D项符合题意。 2．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，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；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项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择10～30 MPa，D项错误。 3．B。解析：N2＋3H22NH3　ΔH<0，反应是气体体积减小的放热反应，从勒夏特列原理分析可知高温下，平衡逆向进行，反应物转化率减小，故①错误；低温条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故②正确；反应是气体体积减小的反应，低压平衡逆向进行，反应物转化率减小，故③错误；在高压条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故④正确；催化剂改变反应速率不改变化学平衡，反应物转化率不变，故⑤错误；加入氨气平衡逆向进行，转化率减小，故⑥错误；除氨减小生成物浓度，平衡正向进行，反应物转化率增大，故⑦正确。 4．C。解析：催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。 5．C。解析：合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气的浓度，故D错误。 6．B。解析：把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度(700 K)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应的进行，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。 7．B。解析：②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。 8、【答案】逆反应 放热 C 41.77% 加入过量（或）（或及时从平衡体系中移走） 【详解】 (1)表中数据表明：恒压时，升高温度，的含量减小，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，故答案：逆反应；放热。 (2)由反应知，合成氨的适宜条件是低温、高压，在低温、高压的条件下平衡向右移动，反应物的转化率增大，故C符合题意。 (3)假设的用量为的用量为的消耗量为，则： 平衡时的含量为，得，则，故答案：41.77% (4)实际工业合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还可以向体系中加入稍过量的N2或及时从平衡混合物中分离出NH3；故答案为：向体系中加入稍过量的N2或及时从平衡混合物中分离出NH3。 【对点训练3】 1、【答案】D 【详解】 A．牛奶放在冰箱中冷藏，降低了温度，反应速率降低，A正确； B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物，相当于使用了催化剂，加快反应速率，B正确； C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂是为了防止橡胶老化，延长寿命，降低了反应速率，C正确； D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离，是降低生成物浓度，使平衡正向进行，与速率无关，D错误； 故选D。 2．B。解析：B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。 3．C。解析：增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。 4．(1)两个反应均为放热量大的反应　 (2)降低温度、降低压强　 (3)催化剂 解析：因为生成产物丙烯腈和丙烯醛的两个反应均为放热量大的反应，所以它们均可自发进行且热力学趋势大；反应①为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高丙烯腈的平衡产率；由生成丙烯腈的反应条件可知，提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。 5．(1)450 ℃、10 MPa　 (2)在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2转化率会降低　 (3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(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对设备的要求而增大生产成本　 (4)增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率　(5)防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可) 1、【答案】A 【详解】 A．由勒夏特列原理知：合成氨反应是放热反应，温度越高越不利于氨的合成，A符合； B．由勒夏特列原理知：增压平衡朝着气体分子总数减小的方向移动。则合成氨工业通常采用20 MPa～50 MPa压强，以提高原料的利用率，B不符合； C．由勒夏特列原理知：增加氧气等廉价反应物浓度，有利于平衡右移。则合成三氧化硫过程中使用过量的氧气，以提高二氧化硫的转化率，C不符合； D．氯气和水反应生成盐酸和次氯酸是可逆反应，由勒夏特列原理知：增大产物氯离子的浓度有利于平衡左移、抑制氯气溶解，则实验室中用排饱和食盐水的方法收集氯气，D不符合； 答案选A。 2、【答案】C 【详解】 A．使用催化剂只加快反应速率，对化学平衡移动没有影响，故A说法错误； B．升高温度，加快反应速率，合成氨为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨，故B说法错误； C．合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，增大压强，加快反应速率，缩短达到平衡状态所用时间，故C说法正确； D．合成氨采用的压强是1×107~3×107Pa，考虑对材料的强度和设备的制造要求，与铁触媒的活性无之间关系，故D说法错误； 答案为D。 3．D。解析：加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，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。 4．C。解析　N2＋3H22NH3　ΔH<0，该反应是放热的可逆反应，要使平衡向正反应方向移动，应降低温度，但温度过低反应速率过小，不利于工业生产效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大；使用催化剂也能增大反应速率，但在700 K左右时催化剂的活性最大，所以选择采用700 K左右的温度。反应是放热反应，升温平衡逆向进行，反应物转化率降低，不利于提高反应的转化率，故A错误；分析可知低温可以增大反应的限度，故B错误；在700 K左右时催化剂的活性最大，同时保证了反应具有一定的反应速率，提高了经济效益，故C正确；反应ΔH<0，ΔS<0，满足ΔH－TΔS<0反应才能自发进行，则在低温下可以自发向右进行，故D错误。 5．D。解析：二氧化硫是污染气体用石灰水吸收生成亚硫酸钙；硫酸处理得到高浓度的SO2，可以循环使用，故A正确；氮气和氢气在催化剂作用下高温高压合成氨，在400～500 ℃时催化剂活性最大，提高反应速率，反应是气体体积减小的反应，加压平衡正向进行，故B正确；一氧化碳和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气，作为合成氨的原料气制备，故C正确；二氧化硫的催化氧化反应在常压下转化率已经很高，加压变化不大，且对设备要求较高，成本增大；400～500 ℃条件下催化剂活性最大，可以提高反应速率，故D错误。 6．B。解析：虽然反应出来的混合气体NH3比较低，但原料循环使用，连续化生产，所以生产氨的工厂效率不低，A错误；由于氨易液化，可以抽出氨气，使平衡正移，提高原料转化率，而且N2、H2循环使用，所以总体来说氨的产率很高，B正确；合成氨是放热反应，所以低温有利，但反应速率跟温度有关，温度越高速率越大，所以温度是取在既保证一定速率，又保证反应尽量向正反应移动，同时还要确保催化剂活性，因为催化剂活性跟温度关系极大。一般合成氨反应控制在500 ℃是保证催化剂活性最大，不是为了使化学平衡向正反应方向移动，C错误；合成氨的反应是分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高正反应速率，跟催化剂无关，D错误。 7．B。解析：向燃烧的炭中加入KClO3，氯酸钾分解可生成氧气，促进燃烧，不是催化剂，故A错误；工业上将矿石粉碎，增加了接触面积，加快了反应速率，故B正确；对于合成氨反应，达到平衡状态后延长时间反应平衡状态不变，氨气浓度一定，故C错误；恒温恒容，向合成氨反应的容器中通氖气，总压增大，但反应体系中各物质的浓度不变，反应速率不变，故D错误。 8．D 9．B 10．D。解析：分离出NH3，Q＜K，v正＞v逆，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，体系中NH3的含量减小。 11．C。解析：过程②为分子中的化学键断裂生成原子，需吸收能量，过程③原子重新组合成分子，需放出能量，故A正确；因为氮气中含氮氮三键，键能大，所以常温下该反应难以进行，是因为常温下反应物的化学键难以断裂，故B正确；ΔH与反应条件无关，则在催化剂的作用下，该反应的ΔH仍然不变，故C错误；该过程表明，在化学反应中首先是旧化学键的断裂，然后是新化学键的形成，故D正确。 12、C。解析：该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。 13．C 14．B 15．C。解析：c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；773 K>673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。 16．D 17．D。解析：K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，所以K(M)＝K(Q)，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，Q点的温度低于N，所以K(Q)>K(N)，故A正确；加催化剂能加快反应速率但平衡不移动，所以H2的平衡转化率不变，故B正确；相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡消耗时间越短，c、b、a的温度依次降低，所以达到平衡消耗时间关系为a>b>c，故C正确；该反应为可逆反应，反应的转化率不可能达到100%，故D错误。 18．(1)升温、增大N2浓度(合理即可) (2)①66.7%　 ②5.0×10－3　 ③c 解析：(2)①设反应过程消耗x mol N2(g)。 N2(g)　＋　3H2(g)2NH3(g) 起始物质的量/mol　 0.60　　 1.60　 0 平衡物质的量/mol　 0.60－x 1.60－3x 2x 平衡时反应体系总物质的量＝[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x] mol＝(2.20－2x) mol NH3(g)的物质的量分数为＝ 解得，x＝0.40，N2的平衡转化率为×100%≈66.7%。 ②设此时反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，c(NH3)＝ mol·L－1＝0.40 mol·L－1 ，c(N2)＝ mol·L－1＝0.10 mol·L－1，c(H2)＝ mol·L－1＝0.20 mol·L－1，K＝＝5.0×10－3。 19．(1)增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高温度，选用合适的催化剂　增大压强，降低温度(合理即可) (2)①450 ℃　该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高 ②1×105Pa　该压强下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高 20、【答案】 （1）放热 （2）0.1MPa温度一定时，该压强下二氧化硫的转化率已经很高了，再增压转化率变化不大，且对设备、材料要求高不经济 （3）在相同压强下，低于400度，速率太低；该反应是放热反应，高于500度升温反应逆向移动三氧化硫的产率降低；400-500催化剂的活性最好 （4）否 （5）98.3%硫酸 （6）小于 【分析】 （1）由表中数据知:在同一压强下，升高温度，二氧化硫的转化率减小，即平衡向左移动。因此SO2的氧化反应是放热反应。 （2）根据表中数据，考虑综合经济效益，工业上SO2催化氧化时适宜的压强为0.1MPa，理由为：温度一定时，该压强(0.1MPa)下二氧化硫的转化率已经很高了，再增压转化率变化不大，且对设备、材料要求高不经济。 （3）该反应放热，温度越低，越有利于平衡右移，但是不利于提高反应速率；温度越高，越不利于平衡右移、温度高，反应速率快，但是对催化剂的活性有影响。故温度选为400-500之间的原因为：在相同压强下，低于400度，速率太低；该反应是放热反应，高于500度升温反应逆向移动三氧化硫的产率降低；400-500催化剂的活性最好。 （4）催化剂能影响反应速率，而不能使平衡移动。选择适宜的催化剂，不能提高SO2的平衡转化率，故答案为：“否”。 （5）若用水来吸收三氧化硫，有酸雾会滞留在吸收塔中阻止三氧化硫的进一步吸收。为提高SO3吸收率，实际生产中用98.3%硫酸吸收SO3。 （6）将1molSO3充入一真空密闭容器中，一定条件下达到平衡，若在同样条件下最初投入2molSO3，反应所达的平衡等效于第一个平衡增压、平衡右移所得，则SO3所占体积分数增大，即M%小于N%。 2 1 学科网（北京）股份有限公司 $$