2.4 化学反应的调控-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1学习手册（人教版）

学 第二章 化学反应速率与化学平衡 学 习 目 标 1. 通过工业合成氨适宜条件的选择和优化， 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. 在合成氨适宜条件的讨论中， 形成多角度 分析化学反应和化工生产条件的思路， 体 会化学反应原理的应用价值。 知 识 梳 理 知识点 1 化工生产选择适宜条件的一般 原则 1. 从化学反应速率角度分析， 既不能太大， 又不能太小。 2. 从化学平衡移动角度分析， 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。 3. 从原料的利用率角度分析， 增加易得、 廉 价原料， 提高难得、 贵重原料的利用率， 从而降低生产成本。 4. 从实际生产能力角度分析， 如设备承受高 温、 高压的能力等。 5. 注意催化剂的活性对温度的限制。 6. 工业生产中既不能片面地追求高转化率， 也不能片面追求高反应速率， 应寻找比较 高的反应速率并获得适当平衡转化率的反 应条件。 知识点 2 化工生产中需综合考虑的几个 方面 1. 化学反应速率与平衡转化率的问题。 2. 原料的循环利用， 反应热的综合利用。 3. 气体产物的压强对平衡的影响。 4. 改变外界条件对多平衡体系的影响。 5. 催化剂的选择及其活性温度问题。 6. 原料的来源、 除杂， 尤其考虑杂质对催化 剂的影响。 知识点 3 化工生产中反应条件的选择方 法 （以合成氨为例） 1. 反应原理 N 2 （ g ） +3H 2 （ g ） 2NH 3 （ g ） ΔH=-92.4 kJ · mol -1 2. 反应特点 （ 1 ） 反应为可逆反应。 （ 2 ） 正反应为放热反应。 （ 3 ） 反应物、 生成物均为气体， 且正反应方 向为气体分子数减小的反应。 3. 反应条件的选择 第四节 化学反应的调控 温馨提示 还要考虑产物的污染处理及产物的 酸碱性对反应的影响。 49 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 4. 原料气的充分利用 合成氨反应的转化率较低， 从原料充分 利用的角度分析， 工业生产中可采用循环操 作的方法提高原料的利用率。 要 点 精 析 典例 1 硝酸生产中， 500 ℃ 时， NH 3 和 O 2 可能发生如下反应： ①4NH 3 （ g ） +5O 2 （ g ） 4NO （ g ） +6H 2 O （ g ） ΔH=-9072 kJ · mol -1 ； K＝1.1×10 26 ②4NH 3 （ g ） +4O 2 （ g ） 2N 2 O （ g ） +6H 2 O （ g ） ΔH=-1105 kJ · mol -1 ； K＝4.4×10 28 ③4NH 3 （ g ） +3O 2 （ g ） 2N 2 （ g ） +6H 2 O （ g ） ΔH=-1269 kJ · mol -1 ； K＝7.1×10 34 其中， ②③ 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 O 2 浓度 D. 使用合适的催化剂 解析： 减小压强， 反应速率减小， NO 的产率 减小， 故 A 错误； 降低温度， 反应速率减小， NO 的产率减小， 故 B 错误； 增大 O 2 浓度， 氧气过量时与 NO 反应生成 NO 2 ， 则 NO 的产 率减小， 故 C 错误； 不同反应对催化剂有选 择性， 使用合适的催化剂， 能增大反应速率， 提高单位时间内 NO 的产率， 故 D 正确。 答案： D 变式训练 1 下列有关合成氨工业的说法中， 正确的 是 （ ） A． 增大压强， 对正反应的反应速率影响更大 B． 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 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． 从合成塔出来的混合气体中 NH 3 只占 15% ， 所以合成氨厂的产率都很低 典例 2 已知下列反应： +H 2 （ g ） ΔH>0 。 工业上， 通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气 （原 料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为 1 ∶ 9 ）， 控制反应温度 600 ℃ ， 并保持体系总 压为常压的条件下进行反应。 在不同反应温 度下， 乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下 苯乙烯的选择性 （指除了 H 2 以外的产物中 苯乙烯的物质的量分数） 示意图如下： 反应 条件 对化学反 应速率的 影响 对平衡混合 物中氨含量 的影响 合成氨条件的选择 增大 压强 增大反 应速率 平衡正向 移动 ， 提 高平衡混 合物中氨 的含量 压强增大， 有利于氨 的合成， 但需要动力 大， 对材料、 设备的 要求高。 故采用 10~ 30 MPa 的高压 升高 温度 增大反 应速率 平衡逆向 移动 ， 降 低平衡混 合物中氨 的含量 温度要适宜， 既要保 证 反 应 有 较 快 的 速 率， 又要使反应物的 转化率不能太低。 故 采用 400~500 ℃ 的温 度， 并且在该温度下 催化剂的活性最大 使用 催化剂 增大反 应速率 没有影响 工业上一般选用铁触 媒作催化剂 转化率或选择性 /% 100 80 60 40 20 300 0 400 500 600 700 800 温度 /℃ 乙苯 苯乙烯 — CH 2 CH 3 （ g ） 催化剂 — CH CH 2 （ g ） 典例 2 图 50 学 第二章 化学反应速率与化学平衡 （ 1 ） ① 掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化 率， 解释说明该事实： 。 ② 控制反应温度为 600 ℃ 的理由是 。 （ 2 ） 某研究机构用 CO 2 代替水蒸气开发了绿 色化学合成工艺——乙苯—二氧化碳耦 合催化脱氢制苯乙烯。 保持常压和原料 气比例不变， 与掺水蒸气工艺相比， 在 相同的生产效率下， 可降低操作温度； 该工艺中还能够发生反应： CO 2 +H 2 CO+H 2 O ； CO 2 +C 2CO 。 新工艺的特 点有 （填数字序号）。 ①CO 2 与 H 2 反应， 使乙苯脱氢反应的 化学平衡右移 ② 不用高温水蒸气， 可降低能量消耗 ③ 有利于减少积炭 ④ 有利于 CO 2 资源利用 解析： （ 1 ） ① 在体积可变的容器中掺入水 蒸气相当于把各反应物和产物稀释了， 又由 于该反应为气体体积增大的反应， 因此相当 于减小了压强， 平衡右移， 乙苯的平衡转化 率增大； ② 根据图示可知， 在 600 ℃ 乙苯的 平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择 性都是最高的， 由于该反应为吸热反应， 如 果温度太低则反应速率较小， 且平衡转化率 太低； 如果温度太高， 则苯乙烯的选择性 降低。 （ 2 ） CO 2 和 H 2 的反应消耗 H 2 ， 故使乙苯脱 氢反应的化学平衡右移， ① 正确； 获得水蒸 气需要消耗大量能源， ② 正确； CO 2 与 C （ s ） 发生反应生成 CO （ g ）， 可以减少积炭， ③ 正 确； 两个反应都消耗 CO 2 ， ④ 正确。 答案： （ 1 ） ① 正反应方向气体分子数增 加， 加入水蒸气稀释， 相当于起减压的效果 ②600 ℃ ， 乙苯的转化率和苯乙烯的选择 性均较高。 温度过低， 反应速率慢， 转化率 低； 温度过高， 选择性下降。 高温还可能使 催化剂失活， 且能耗大 （ 2 ） ①②③④ 变式训练 2 三氯氢硅 （ SiHCl 3 ） 是制备硅烷、 多晶 硅的重要原料， 在催化剂作用下可发生反 应： 2SiHCl 3 （ g ） SiH 2 Cl 2 （ g ） +SiCl 4 （ g ）， 在 50 ℃ 和 70 ℃ 时 SiHCl 3 的转化率随时间变化 的结果如图所示。 下列叙述正确的是 （ ） A． 该反应为放热反应 B． 增大压强， 可以提高 SiHCl 3 的平衡转化 率， 缩短达到平衡的时间 C． 反应速率大小： v a <v b D． a 点时， v 正 （ SiHCl 3 ） ＞2v 逆 （ SiCl 4 ） 变式训练答案 1. A 2. D 变式训练 2 图 100 200 300 400 50 ℃ 70 ℃ 25 20 15 10 5 0 S i H C l 3 转 化 率 / % t/min a b 51