第2章 第4节 化学反应的调控 （Word教参）-【精讲精练】2024-2025学年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 [学习目标] 1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原理。2.利用化学反应原理，了解工业生产条件选择的依据和原则。3.知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用，培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。 知识点一　合成氨条件的选择 1．工业生产中适宜生产条件的选择 外界 条件 选择原则 综合分析结果 有利于增大速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 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，尽量选取高温并考虑催化剂的__活性__ 压强 高压(有气 体参加) 气体体积减小 高压 在设备条件允许的前提下，尽量选取__高压__ 气体体积增大 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2．合成氨的适宜条件 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在__400～500_℃__ 2 物质的量 N2、H2投料之比为__1∶3__ 3 压强 __10～30__ MPa 4 催化剂 选择以铁为主体的多成分__催化剂(铁触媒)__ 3．合成氨的生产流程 人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到20世纪初才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。 (1)工业生产中增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？ (2)既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？ (3)在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？使用的催化剂一般是什么？ 提示　(1)不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力也越大，目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa。 (2)不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低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，所以在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。 (3)为了加快反应速率，工业合成氨普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。 1．从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2．根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 1．对于可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，下列说法中正确的是(　　) A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率 D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，而逆反应速率减小 解析　 C　达到平衡后，充入N2，平衡向正反应方向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度不会减小，A错误；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，不利于NH3的生成，B错误；达到平衡后，缩小容器体积即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，有利于提高H2的转化率，C正确；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间，D错误。 2．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N2和H2混合有利于合成氨 B．高压比常压更有利于合成氨的反应 C．500 ℃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 解析　B　催化剂不影响化学平衡，A项错误；合成氨反应是放热反应，在低温下转化率高，合成氨工业采用500 ℃左右的温度是综合考虑了反应速率、转化率及催化剂的活性，C项错误；采用循环操作提高原料利用率不能用勒夏特列原理解释，D项错误。 3．化学家发明了以低成本制造氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是哈伯法的流程图，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 解析　B　合成氨的反应是气体体积减小、放热的可逆反应，所以增大压强平衡向正反应方向移动，可提高原料的转化率；催化剂不能影响平衡状态，不能提高转化率；把生成物氨气液化及时分离出来，可以促使平衡向正反应方向移动，提高转化率；通过氮气和氢气的循环使用，可以提高原料的利用率，即②④⑤正确。 知识点二　化学反应的调控 1．影响化学反应进行的因素 参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。 2．化学反应的调控 (1)含义：通过改变外界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：考虑设备条件、安全操作、经济成本等；分析影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件；根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 ①反应限度：要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 ②反应速率：要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。 ③生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。 已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＜0的实验数据如下表： 温度 不同压强下SO2的转化率(%) 1×105 Pa 5×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 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________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)生产中通入过量空气的目的是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 提示　(1)450 ℃　该反应是放热反应，升高温度，反应物转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高 (2)1×105 Pa　常压下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，但对设备的要求更高 (3)SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需要分离出SO3 (4)增大O2浓度，提高SO2的转化率 选择化工生产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、高压的能力等 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 1．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，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 解析　B　 由CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0可知，该反应为放热、气体体积缩小的可逆反应；高温会使平衡逆向移动，不利于提高甲醇的产量，但温度太低，反应速率太慢，也不利用提高单位时间内的产量，且催化剂的活性需要在适当温度下达到最大值，所以温度应适当；高压既能使平衡正向移动，从而提高甲醇的产量，也可以加快反应速率；催化剂不能改变生成物的产量，但可提高反应速率；综上所述，合理的条件为适宜的温度、高压、催化剂。 2．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量的CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)2Ac]＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH＜0 (1)必须除去原料气中CO的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； (2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； (3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨溶液再生的适宜条件是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)除去一氧化碳防止催化剂中毒； (2)[Cu(NH3)2Ac](aq)＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO(aq)　ΔH<0，由反应可知，该反应为气体体积减小的放热反应，所以加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于CO的吸收； (3)要使吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理后再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可，逆反应方向为气体体积增大的吸热反应，所以在高温低压下使平衡逆向移动。 答案　(1)防止催化剂中毒　(2)低温、高压　(3)高温、低压 3．工业上主要采用氨氧化法生产硝酸，下图是氨氧化率与氨－空气混合气中氧氨比的关系。其中直线表示反应的理论值，曲线表示生产实际情况。实际生产要将r值维持在1.7～2.2之间，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　O2太少不利于NH3的转化，r值为2.2时NH3氧化率已接近100% 1．接触法制硫酸生产中接触室的反应为2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ/mol，能提高SO2转化率的条件是(　　) A．400～500 ℃　　　　 B．常压 C．催化剂 D．过量的空气 解析　 D 　正反应为放热反应，升高温度，抑制反应向正反应方向移动，升高温度主要考虑催化剂的活性，故A错误；由平衡移动原理可知压强越大反应正向进行，二氧化硫转化率越大，但常压下二氧化硫转化率已经很大，增大压强转化率变化不大，所以采取常压，故B错误；催化剂改变化学反应速率，不改变化学平衡，不能提高二氧化硫的转化率，故C错误；过量的空气会提高二氧化硫转化率，故D正确。 2．下列关于工业合成氨的叙述不正确的是(　　) A．合成氨工业温度选择为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 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，可适当增加氮气浓度 解析　A　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，故B正确；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正确。 3．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁触媒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．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 解析　 C　 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，A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错误； 增大压强可以加快反应速率，缩短达到平衡所用的时间，C正确； 催化剂的活性主要取决于温度的高低，而非压强的大小，D错误。 4．镧镍合金在一定条件下可吸收氢气形成氢化物：LaNi5(s)＋3H2(g)LaNi5H6(s)　ΔH＜0，欲使LaNi5H6(s)释放出气态氢，根据平衡移动原理，可进行的改变是(　　) A．增加LaNi5H6(s)的量 B．降低温度 C．减小压强 D．使用催化剂 解析　C　欲使LaNi5H6(s)释放出气态氢，则平衡逆向移动，该反应为气体体积减小的放热反应，可以升高温度或减小压强。 5．Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备，“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为________。 解析　由题图示可知，“酸浸”时铁的浸出率为70%时，应选择在100 ℃、2 h,90 ℃、5 h下进行。 答案　100 ℃、2 h,90 ℃、5 h 学科网（北京）股份有限公司 $$