第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨 -【帮课堂】2024-2025学年高二化学同步学与练（鲁科版2019选择性必修1）

第2章 化学反应的方向、 限度与速率 第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨 板块导航 01/学习目标 明确内容要求，落实学习任务 02/思维导图 构建知识体系，加强学习记忆 03/知识导学 梳理教材内容，掌握基础知识 04/效果检测 课堂自我检测，发现知识盲点 05/问题探究 探究重点难点，突破学习任务 06/分层训练 课后训练巩固，提升能力素养 1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。 2.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。 重点：温度、浓度、压强和催化剂对合成氨反应的影响。 难点：根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速率和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。 一、外界条件对合成氨反应的影响 1.升高 、增大 、增大 的浓度及使用 等，都可以使合成氨的反应速率增大。 2.降低 、增大 、增大 的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 ，但不改变 的组成。 二、合成氨生产条件的选择和优化 1.合成氨反应的限度 (1)反应原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 (2)反应特点 (3)影响因素 ①外界条件： 温度、 压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 ②投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。 【特别提醒】合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。 2.合成氨反应的速率 (1)提高合成氨反应速率的方法 (2)浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知： N2或H2的浓度， NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 3.合成氨生产的适宜条件 (1)合成氨反应适宜条件分析 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。 (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 左右 2 物质的量 N2、H2投料比 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 (3)合成氨的生产流程的三阶段 三、工业生产中选择适宜生产条件的选择和优化 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 （1）分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。 （2）根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。 （3）从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。 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、减小反应产物的浓度 不断地补充反应物，及时地分离出反应产物 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) Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2.工业合成氨生产条件的选择 （1）合成氨生产的要求。 ①反应要有较快的反应速率。 ②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。 （2）合成氨生产条件的选择依据。 ①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。 ②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。 （3）选择合成氨生产条件的理论分析。 外界因素 理论分析 压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，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，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压 温度 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右（且在此温度时催化剂的活性最大） 催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂 浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去 其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用 四、利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 【社会调查】 1.目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。 2.合成甲醇的原料 3.选择CO2作碳源合成甲醇的原因 (1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题； (2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少； (3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。 【研学活动一】选择合适的化学反应 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1　ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g)　ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1　ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1 1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？ 2.用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？ 【研学活动二】选择适宜的反应条件 1.理论分析 角度1：反应限度(转化率) 反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？ 【提示】需在低温、高压条件下进行。 角度2：反应速率 为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。 矛盾之处——发现问题： 升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。 理论分析条件的选择 工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 2.例证——实际合成甲醇条件的选择 (1)不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响 n(H2)∶n(CO2) 2∶1 3∶1 5∶1 7∶1 α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71 φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93 分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。 (2)改变压强对反应的影响 不同总压对甲醇产率的影响 523 K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1， 催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。 (3)温度对反应的影响 不同温度对甲醇产率的影响 总压5 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1， 催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。 1.从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？ 2.从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 【方法技巧】设计化学反应来解决实际问题的一般思路 在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是否能够正向自发进行、能进行到什么程度。只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。 1.判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)合成氨反应在高温下能自发进行。(　　) (2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。(　　) (3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。(　　) (4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(　　) 2.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(　　) A.升高温度　 B.减小压强 C.使用催化剂 D.及时分离出氨气 ►问题一 工业合成氨条件的选择 【典例1】（23-24高二上·天津河北·期中）下列关于合成氨工业说法不正确的是 A.根据勒夏特列原理，500℃左右比室温更有利于合成氨的反应 B.合成氨厂一般采用10MPa~30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素 C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应 D.将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒” 【变式1-1】（23-24高二上·河南信阳·期中）下列有关合成氨工业的说法正确的是 A.原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成的氨不纯 B.实际生产中，将氨气液化分离后的原料气循环使用，可提高经济效益 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，无须考虑设备、条件 【变式1-2】（23-24高二上·四川宜宾·期末）下列有关合成氨工业的说法正确的是 A.由于氨易液化，、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 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只占15%，故合成氨厂的产率都很低 ►问题二 工业合成氨工艺流程 【典例2】（23-24高二上·四川自贡·期中）下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A.①②③ B.①③⑤ C.②④⑤ D.②③④ 【变式2-1】（23-24高二上·云南曲靖·期末）氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意如下。 下列说法不正确的是 A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性，原料气必须经过净化 B.压缩机加压过程，既要考虑平衡移动的问题，又要考虑加压对设备材料的强度设备的制造要求的问题 C.合成氨反应的温度控制在500℃左右，此温度下反应物的平衡转化率最大 D.冷却过程，及时将NH3从平衡混合物中分离除去，促使合成氨反应向生成氨气的方向移动 【变式2-2】（23-24高二上·福建厦门·期中）下图为工业合成氨流程图，该反应速率方程为，原料气(及少量的混合气体)在进入合成塔前可经过铜氨液净化处理，其反应为：，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”既可以提高合成氨原料的转化率，又可以加快反应速率 C.为保证足够高的反应速率，反应达到一定转化率时需及时将氨从体系中分离 D.“净化”时适当升高温度，可增大反应速率和CO的平衡转化率 ►问题三 工业生产中选择适宜生产条件的原则 【典例3】　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 【变式3-1】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 【变式3-2】某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(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价廉易得，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 ►问题四 工业制硫酸条件的选择 【典例4】（23-24高二上·广东·期末）工业上制备硫酸的一步重要反应是在400～500℃下的催化氧化反应    △H＜0。下列有关说法错误的是 A.实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B.在实际生产中控制温度为400～500℃，温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 【变式4-1】（23-24高二上·广东广州·期末）工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确的是 温度/℃ 不同压强下接触室中SO2的平衡转化率/ 450 99.2 99.7 550 94.9 97.7 工艺流程 A.循环利用的物质是SO3 B.为放热反应 C.吸收塔中表现强氧化性 D.实际生产中，接触室中应采用温度，压强 【变式4-2】（23-24高二上·辽宁锦州·期末）在硫酸工业中，使SO2氧化为SO3的反应为  。下表列出了恒容密闭容器中，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 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率 B.尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率 C.在实际生产中，应选择的条件是450℃，10MPa D.在实际生产中，选定的温度为400-500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 ►问题五 探究利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 【典例5】（23-24高二上·河北衡水·期末）研究表明，在催化剂a(或催化剂b)存在下，CO2和H2能同时发生两个平行反应，反应的热化学方程式如下： ①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=−53.7kJ/mol ②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ/mol 某实验小组控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2。在相同压强下，经过相同反应时间测得的实验数据如下： 实验编号 T(K) 催化剂 CO2转化率(%) 甲醇选择性(%) 1 543 催化剂a 12.3 42.3 2 543 催化剂b 10.9 72.7 3 553 催化剂a 15.3 39.1 4 553 催化剂b 12.0 71.6 （备注）甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。 下列说法不正确的是（    ） A.相同温度下，该时段内，催化剂b对CO2转化成CH3OH有较高的选择性 B.反应①在无催化剂、有催化剂a和有催化剂b三种情况下能量示意图如图 C.其他条件不变，增大反应体系压强反应②中平衡常数不变 D.其他条件不变，升高温度反应①中CO2转化为CH3OH平衡转化率增大 【变式5-1】（23-24高二下·浙江杭州·期末）利用合成甲醇也是有效利用资源的重要途径。将原料气充入某一恒容密闭容器中，只发生，在不同催化剂作用下，反应min时的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是 A.使用催化剂Ⅰ时，d点未达到平衡 B.c点转化率比a点低的原因一定是催化剂活性降低 C.温度下的反应速率大于温度下的反应速率 D.若a点时，，则此条件下反应已达到最大限度 【变式5-2】（23-24高二上·江苏连云港·期中）利用和合成甲醇，可以减少的排放。涉及的主要反应如下： 反应Ⅰ：   反应Ⅱ：    在1 L密闭容器中通入1mol 和2.44mol ，选择合适的催化剂反应，甲醇的选择率(生成甲醇的占总转化量的物质的量分数)和的平衡转化率随温度的变化趋势如图所示。下列说法不正确的是 A.曲线a表示甲醇的选择率 B.其它条件不变，增大压强可提高平衡时的体积分数 C.553K时，反应Ⅱ的平衡常数 D.553K时，反应Ⅰ和反应Ⅱ参加反应的氢气物质的量之比为9∶2 1.（23-24高三上·湖北·期末）已知工业合成氨是在，，催化剂作用下进行的，下列说法中符合工业合成氨生产实际的是 A.作催化剂 B.催化剂活性是选择该反应温度的重要原因 C.将和液化 D.由吸收塔吸收 2.（23-24高二上·海南·期末）氨主要来源于工业合成氨：(未配平)。中国科学家研制出新型催化剂，将该反应的温度、压强降至350℃、1MPa.相比于常温、常压。下列措施一定能提高H2的平衡转化率的是 A.采用合适的高效催化剂 B.采用较高的温度 C.采用较高的压强 D.增大反应体系中H2的浓度 3.（23-24高二上·福建宁德·期末）某温度下，在密闭容器中进行合成氨反应：　。下列叙述正确的是 A.升高温度，平衡向正反应方向移动 B.充入一定量，的转化率不变，的转化率变大 C.工业生产中未转化的合成气循环利用，主要是为了提高氮气和氢气的利用率 D.增大压强，可增大单位体积内活化分子的百分数，有效碰撞增多 4.（23-24高二上·天津·期末）下列关于工业合成氨的叙述错误的是 A.合成氨没有选择更大的压强是因为压强过大会增加生产投资，降低综合经济效益 B.使用铁触媒能降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应 C.工业合成氨温度为是因为升高温度有利于提高反应物的平衡转化率 D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动 5.（23-24高二上·天津宁河·期末）已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出NH3；⑥补充N2或H2⑦加催化剂； A.③④⑤⑦ B.②④⑥ C.仅②⑥ D.②③⑥⑦ 6.（23-24高二上·山西晋中·期中）学习“化学反应的速率和化学平衡”内容后，联系工业生产实际所发表的观点，你认为正确的是 A.化学反应速率理论可指导怎样提高原料的平衡转化率 B.化学平衡理论可指导怎样使用有限原料多出产品 C.温度升高，分子动能增加，反应所需活化能减少，反应速率增大 D.增大压强能提高活化分子的百分率，提高单位时间内分子有效碰撞次数 7.（23-24高二上·安徽六安·期中）合成氨工业中，在催化剂作用下发生反应。下列说法正确的是 A.该反应的反应物键能总和大于生成物的键能总和 B.实际生产中通常选择200℃、100Mpa条件下合成氨 C.采取迅速冷却的方法，使气态氨变为液态氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高氨的产量 D.增大催化剂的表面积，可有效加快反应速率和提高平衡转化率 8.（23-24高二上·河南信阳·期末）下列有关化学工业的说法正确的是 A.硫酸工业生产采用常压，是因为SO2在常压下的转化率已经很高了 B.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入的空气越多越好 C.合成氨工业，在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的 D.合成氨工业采用循环操作，主要是为了增大化学反应速率 1.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期中）工业上制备硫酸的一步重要反应是在400~500℃下的催化氧化反应  。下列有关说法错误的是 A.从理论上分析，为了使尽可能多地转化为，应选择的条件是低温高压 B.在实际生产中控制温度为400~500℃，原因是温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 2.（23-24高二上·四川攀枝花·期中）如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 A.步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率 B.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 C.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 D.为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时及时将氨气液化分离，并将混合气中剩余的原料气循环利用 3.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期末）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 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应 B.在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，这与催化剂的活性无关 C.反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率 D.为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO2需回收处理 4.（23-24高二上·广东深圳·期末）催化氧化是制硫酸的关键步骤：。时，在的恒温恒容容器中加入和，测得混合气体的总物质的量随时间的变化如表所示： 0 3 6 10 15 25 3 2.50 2.35 2.15 2.10 2.08 2.06 下列推断不正确的是 A.，混合体系的压强逐渐减小 B.， C.时，反应时间最好定为 D.时，的平衡转化率为 5.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期末）氨是制造化肥的重要原料，如图为工业合成氨的流程图，下列说法错误的是 A.工业上制氮气一般用分离液态空气法 B.步骤③的作用是充分利用热量，减少能耗 C.步骤①中“净化”混合气体可以防止催化剂中毒 D.步骤③中温度选择500℃，主要是考虑平衡时反应物的转化率 6.（23-24高二上·浙江温州·期中）在固定容积的密闭容器中，进行如下反应：  ，其化学平衡常数与温度的关系如下表。下列说法正确的是 温度(℃) 25 125 225 … 平衡常数 … A.能说明反应已达平衡 B.平衡常数 C.混合气体的平均摩尔质量不再改变不能说明反应已达平衡 D.为提高反应速率和平衡转化率，工业生产时通常选择400~500℃、10~30MPa的反应条件 7.（23-24高二下·江苏常州·期中）以、为原料合成涉及的反应如下： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： 反应Ⅲ： 在5MPa下，按照投料，平衡时，CO和在含碳产物中物质的量分数及的转化率随温度的变化如图。下列说法正确的是 A.反应Ⅲ中反应物的总键能大于生成物的总键能 B.曲线代表CO在含碳产物中物质的量分数 C.该条件下温度越低，越有利于工业生产 D.图示270℃时，平衡体系中的体积分数约为66.6% 8.（23-24高二下·河北邯郸·期末）工业上用CO2和合成甲醇涉及以下反应： I.   II.   在催化剂作用下，将CO2和的混合气体充入一恒容密闭容器中进行反应，达到平衡时，的转化率和容器中混合气体的平均相对分子质量随温度变化如图。下列判断合理的是 已知：平衡时甲醇的选择性为生成甲醇消耗的CO2在CO2总消耗量中占比。 A.， B.250℃前以反应Ⅱ为主 C.，平衡时甲醇的选择性为60% D.为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时甲醇的选择性，应选择的反应条件为高温、高压 ( 6 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第2章 化学反应的方向、 限度与速率 第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨 板块导航 01/学习目标 明确内容要求，落实学习任务 02/思维导图 构建知识体系，加强学习记忆 03/知识导学 梳理教材内容，掌握基础知识 04/效果检测 课堂自我检测，发现知识盲点 05/问题探究 探究重点难点，突破学习任务 06/分层训练 课后训练巩固，提升能力素养 1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。 2.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。 重点：温度、浓度、压强和催化剂对合成氨反应的影响。 难点：根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速率和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。 一、外界条件对合成氨反应的影响 1.升高温度、增大压强、增大反应物的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、增大反应物的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。 二、合成氨生产条件的选择和优化 1.合成氨反应的限度 (1)反应原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 (2)反应特点 (3)影响因素 ①外界条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 ②投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 【特别提醒】合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。 2.合成氨反应的速率 (1)提高合成氨反应速率的方法 (2)浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 3.合成氨生产的适宜条件 (1)合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从反应速率和反应限度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。 (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700K左右 2 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 (3)合成氨的生产流程的三阶段 三、工业生产中选择适宜生产条件的选择和优化 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 （1）分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。 （2）根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。 （3）从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。 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、减小反应产物的浓度 不断地补充反应物，及时地分离出反应产物 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) Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2.工业合成氨生产条件的选择 （1）合成氨生产的要求。 ①反应要有较快的反应速率。 ②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。 （2）合成氨生产条件的选择依据。 ①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。 ②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。 （3）选择合成氨生产条件的理论分析。 外界因素 理论分析 压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，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，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压 温度 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右（且在此温度时催化剂的活性最大） 催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂 浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去 其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用 四、利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 【社会调查】 1.目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。 2.合成甲醇的原料 3.选择CO2作碳源合成甲醇的原因 (1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题； (2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少； (3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。 【研学活动一】选择合适的化学反应 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1　ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g)　ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1　ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1 1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？ 【提示】反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K×(－0.177 16) kJ·mol－1·K－1≈3.82 kJ·mol－1＞0，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。 反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K×(－0.043 87)kJ·mol－1·K－1≈＋689.55 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。 反应③，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－298 K×0.042 08 kJ·mol－1·K－1≈＋28.63 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。 2.用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？ 【提示】有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。 【研学活动二】选择适宜的反应条件 1.理论分析 角度1：反应限度(转化率) 反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？ 【提示】需在低温、高压条件下进行。 角度2：反应速率 为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。 矛盾之处——发现问题： 升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。 理论分析条件的选择 工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 2.例证——实际合成甲醇条件的选择 (1)不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响 n(H2)∶n(CO2) 2∶1 3∶1 5∶1 7∶1 α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71 φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93 分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。 (2)改变压强对反应的影响 不同总压对甲醇产率的影响 523 K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1， 催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。 (3)温度对反应的影响 不同温度对甲醇产率的影响 总压5 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1， 催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。 1.从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？ 【提示】应选择合适的n(H2)∶n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。 2.从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 【提示】配置二氧化碳富集装置、甲醇—水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。 【方法技巧】设计化学反应来解决实际问题的一般思路 在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是否能够正向自发进行、能进行到什么程度。只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。 1.判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)合成氨反应在高温下能自发进行。(　　) (2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。(　　) (3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。(　　) (4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(　　) 【答案】(1)×　合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS的值在低温时小于0。 (2)×　合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。 (3)√ (4)×　催化剂同倍数的加快正、逆反应速率，对转化率无影响。 2.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(　　) A.升高温度　 B.减小压强 C.使用催化剂 D.及时分离出氨气 【答案】D 【解析】合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。 ►问题一 工业合成氨条件的选择 【典例1】（23-24高二上·天津河北·期中）下列关于合成氨工业说法不正确的是 A.根据勒夏特列原理，500℃左右比室温更有利于合成氨的反应 B.合成氨厂一般采用10MPa~30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素 C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应 D.将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒” 【答案】A 【解析】A.合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的浓度减小，所以室温比500℃左右更有利于合成氨的反应，故A错误； B.合成氨厂一般采用10MPa～30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素，因为压强大，反应速率快，有利于合成氨，但是压强太高，对仪器设备要求也高，压强过低，反应速率慢，不利于合成氨，故B正确； C.将混合气体中的氨液化，减小了生成物的浓度，合成氨反应的化学平衡正向移动，有利于合成氨，故C正确； D.将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质，比如氧气，能和催化剂铁在高温下反应，使催化剂“中毒”，故D正确；故选A。 【变式1-1】（23-24高二上·河南信阳·期中）下列有关合成氨工业的说法正确的是 A.原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成的氨不纯 B.实际生产中，将氨气液化分离后的原料气循环使用，可提高经济效益 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，无须考虑设备、条件 【答案】B 【解析】A.原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成氨的催化剂“中毒”，A错误； B.实际生产中，将氨气液化分离后提高产率，分离后的原料气循环使用，可提高经济效益，B正确； C.采用 400°C∼500°C ，可加快反应速率，不利于平衡正向移动，不能增大反应物的平衡转化率，C错误； D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，对设备要求高，D错误；故选B。 【变式1-2】（23-24高二上·四川宜宾·期末）下列有关合成氨工业的说法正确的是 A.由于氨易液化，、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 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只占15%，故合成氨厂的产率都很低 【答案】A 【解析】A.由于氨易液化，N2和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高，故A正确； B.催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故B错误； C.控制反应温度为400~500℃，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，故C错误； D.虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%，但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所以生产NH3的效率还是很高的，故D错误；故选A。 ►问题二 工业合成氨工艺流程 【典例2】（23-24高二上·四川自贡·期中）下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A.①②③ B.①③⑤ C.②④⑤ D.②③④ 【答案】C 【解析】工业合成氨的化学方程式为N2+3H22NH3，反应是可逆反应，反应前后气体体积减小，反应是放热反应；依据合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施为：增大压强，平衡向体积减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮气和氢气的循环使用，也可提高原料的转化率，故选C。 【变式2-1】（23-24高二上·云南曲靖·期末）氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意如下。 下列说法不正确的是 A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性，原料气必须经过净化 B.压缩机加压过程，既要考虑平衡移动的问题，又要考虑加压对设备材料的强度设备的制造要求的问题 C.合成氨反应的温度控制在500℃左右，此温度下反应物的平衡转化率最大 D.冷却过程，及时将NH3从平衡混合物中分离除去，促使合成氨反应向生成氨气的方向移动 【答案】C 【解析】A.催化剂“中毒”会丧失催化活性，所以原料气必须经过净化处理，故A正确； B.加压,合成氨平衡向右移动，但加压又要考虑对设备材料的强度、设备的制造要求的问题，故B正确； C.合成氨反应为放热反应，温度越低，平衡转化率越高，所以温度控制在500℃左右，不是因为此温度下反应物的平衡转化率最大，故C错误； D.冷却过程，及时将NH3分离除去，减小生成物浓度，可促使平衡向生成氨气的方向移动，故D正确； 故选C。 【变式2-2】（23-24高二上·福建厦门·期中）下图为工业合成氨流程图，该反应速率方程为，原料气(及少量的混合气体)在进入合成塔前可经过铜氨液净化处理，其反应为：，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”既可以提高合成氨原料的转化率，又可以加快反应速率 C.为保证足够高的反应速率，反应达到一定转化率时需及时将氨从体系中分离 D.“净化”时适当升高温度，可增大反应速率和CO的平衡转化率 【答案】D 【分析】N2和H2净化干燥除去含P、S、As的化合物等杂质后，加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500℃并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用； 【解析】A.步骤①中“净化”是除去杂质，以防止铁催化剂中毒，A正确； B.合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，B正确； C.在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移动，能保持足够高的原料转化率，结合可知，分离出氨气也可以促使反应速率加快，C正确； D.“净化”时经过铜氨液净化处理反应为放热反应，适当升高温度，可增大反应速率，但是导致反应逆向进行，CO的平衡转化率降低，D错误； 故选D。 ►问题三 工业生产中选择适宜生产条件的原则 【典例3】　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 【答案】D　 【解析】本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。 【变式3-1】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 【答案】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500 ℃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。 【变式3-2】某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(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价廉易得，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 【答案】D 【解析】工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；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。 ►问题四 工业制硫酸条件的选择 【典例4】（23-24高二上·广东·期末）工业上制备硫酸的一步重要反应是在400～500℃下的催化氧化反应    △H＜0。下列有关说法错误的是 A.实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B.在实际生产中控制温度为400～500℃，温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 【答案】C 【解析】A.该反应是一个可逆反应，实际生产中，SO2、O2再循环使用提高原料利用率，A正确； B.选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400-500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，B正确； C.在二氧化硫的催化氧化中，增大压强会增加成本，实际生产中采用的压强并不是越大越好，C错误； D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确；故选C。 【变式4-1】（23-24高二上·广东广州·期末）工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确的是 温度/℃ 不同压强下接触室中SO2的平衡转化率/ 450 99.2 99.7 550 94.9 97.7 工艺流程 A.循环利用的物质是SO3 B.为放热反应 C.吸收塔中表现强氧化性 D.实际生产中，接触室中应采用温度，压强 【答案】B 【解析】A.为可逆反应，未参与反应的二氧化硫可循环利用，A错误； B.由表知，在相同压强下，升高温度，二氧化硫的平衡转化率减小，则为放热反应，B正确； C.吸收塔中是为了吸收三氧化硫，不体现强氧化性，C错误； D.和两状态的平衡转化率相差不大，但压强大，对动力和设备要求高，所以实际生产中，接触室中应采用温度，压强，D错误；故选B。 【变式4-2】（23-24高二上·辽宁锦州·期末）在硫酸工业中，使SO2氧化为SO3的反应为  。下表列出了恒容密闭容器中，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 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率 B.尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率 C.在实际生产中，应选择的条件是450℃，10MPa D.在实际生产中，选定的温度为400-500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 【答案】C 【解析】A.容器为恒容刚性容器，充入与反应无关的气体，气体的浓度不变，转化率不变，A正确； B.SO2会造成酸雨，污染环境，尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，B正确； C.根据表格数据可知，450℃时二氧化硫的转化率比500℃时的高，虽然10MPa时转化率增大，但对设备要求高，故应选择450℃，5MPa，C错误； D.为了催化剂的活性最佳，温度选定为400~500℃，D正确；故选C。 ►问题五 探究利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 【典例5】（23-24高二上·河北衡水·期末）研究表明，在催化剂a(或催化剂b)存在下，CO2和H2能同时发生两个平行反应，反应的热化学方程式如下： ①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=−53.7kJ/mol ②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ/mol 某实验小组控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2。在相同压强下，经过相同反应时间测得的实验数据如下： 实验编号 T(K) 催化剂 CO2转化率(%) 甲醇选择性(%) 1 543 催化剂a 12.3 42.3 2 543 催化剂b 10.9 72.7 3 553 催化剂a 15.3 39.1 4 553 催化剂b 12.0 71.6 （备注）甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。 下列说法不正确的是（    ） A.相同温度下，该时段内，催化剂b对CO2转化成CH3OH有较高的选择性 B.反应①在无催化剂、有催化剂a和有催化剂b三种情况下能量示意图如图 C.其他条件不变，增大反应体系压强反应②中平衡常数不变 D.其他条件不变，升高温度反应①中CO2转化为CH3OH平衡转化率增大 【答案】D 【解析】A. 由实验1、2可知，2中甲醇选择性高，则相同温度下，在该时刻催化剂b对CO2转化成CH3OH有较高的选择性，故A正确； B. 催化剂可降低反应的活化能，不影响始终态，且催化剂b对应的活化能最小，图象合理，故B正确。 C. 平衡常数与温度有关，则其他条件不变，增大反应体系压强反应②中平衡常数不变，故C正确； D. 反应①为放热反应，升高温度平衡逆向移动，则升高温度反应①中CO2转化成CH3OH平衡转化率减小，故D错误；故选D。 【变式5-1】（23-24高二下·浙江杭州·期末）利用合成甲醇也是有效利用资源的重要途径。将原料气充入某一恒容密闭容器中，只发生，在不同催化剂作用下，反应min时的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是 A.使用催化剂Ⅰ时，d点未达到平衡 B.c点转化率比a点低的原因一定是催化剂活性降低 C.温度下的反应速率大于温度下的反应速率 D.若a点时，，则此条件下反应已达到最大限度 【答案】B 【解析】A.使用催化剂I时，CO2的转化率随温度升高先增大后减小。温度低于T4时，该反应未达平衡，温度升高，CO2的转化率随着反应速率增大而增大；温度高于T4时，可能是催化剂活性降低，也可能是平衡逆向移动，导致CO2的转化率减小，因此d点未达到平衡，故A正确； B.c点转化率比a点低的原因可能是催化剂活性降低，也可能是平衡逆向移动，故B错误； C.温度T4高于T3，升高温度反应速率加快，故温度下的反应速率大于温度下的反应速率，故C正确； D.由于，若a点时，，则v(CH3OH)正=v(CH3OH)逆，a点处于平衡状态，反应已达到最大限度，故D正确；故选B。 【变式5-2】（23-24高二上·江苏连云港·期中）利用和合成甲醇，可以减少的排放。涉及的主要反应如下： 反应Ⅰ：   反应Ⅱ：    在1 L密闭容器中通入1mol 和2.44mol ，选择合适的催化剂反应，甲醇的选择率(生成甲醇的占总转化量的物质的量分数)和的平衡转化率随温度的变化趋势如图所示。下列说法不正确的是 A.曲线a表示甲醇的选择率 B.其它条件不变，增大压强可提高平衡时的体积分数 C.553K时，反应Ⅱ的平衡常数 D.553K时，反应Ⅰ和反应Ⅱ参加反应的氢气物质的量之比为9∶2 【答案】C 【解析】A.当温度升高时反应Ⅰ平衡逆向移动，而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大，所以CO2的转化率增加，但甲醇的选择性降低，所以曲线a表示甲醇的选择率，故A正确； B.其它条件不变，增大压强平衡向气体体积减小的方向进行，对反应Ⅰ平衡正向移动，可提高平衡时的体积分数，故B正确； C.根据信息甲醇的选择率是转化的CO2中甲醇的含量，553K时CO2的平衡转化率是20%，甲醇的物质的量是1×20%×60%=0.12mol，则反应I参加反应的H2为0.36mol，生成的H2O为0.12mol，反应II中参加反应的CO2：1×20%-0.12=0.08mol，参加反应的H2为：0.08mol，生成的H2O为0.08mol，反应I在553K下平衡时的物质的量分别为CO2：0.8mol，H2：2.44-0.36-0.08=2mol，CH3OH：0.12，H2O：0.12+0.08=0.2mol，反应II，平衡时，物质的量分别为CO2：0.8mol，H2：2.44-0.36-0.08=2mol，H2O：0.12+0.08=0.2mol，CO：0.08mol，体积保持1L不变，553K时，反应Ⅱ的平衡常数，故C错误； D.由C项分析可知，反应I参加反应的H2为0.36mol，反应II中参加反应的C H2为：0.08mol，所以反应Ⅰ和反应Ⅱ参加反应的氢气物质的量之比为9∶2，故D正确；故选C。 1.（23-24高三上·湖北·期末）已知工业合成氨是在，，催化剂作用下进行的，下列说法中符合工业合成氨生产实际的是 A.作催化剂 B.催化剂活性是选择该反应温度的重要原因 C.将和液化 D.由吸收塔吸收 【答案】B 【解析】合成氨的催化剂是铁触媒，A错误；反应温度决定反应速度和催化剂活性，催化剂可以极大加快反应速率，因此，催化剂活性是反应温度高低的重要决定因素，B正确；反应时仅需要将N2和H2持续通入即可，不需液化，C错误；生成的氨气因存在分子间氢键，在一定压强下及适当降温下，可以液化，然后移除反应体系，不需要吸收塔吸收，D错误；故选B。 2.（23-24高二上·海南·期末）氨主要来源于工业合成氨：(未配平)。中国科学家研制出新型催化剂，将该反应的温度、压强降至350℃、1MPa.相比于常温、常压。下列措施一定能提高H2的平衡转化率的是 A.采用合适的高效催化剂 B.采用较高的温度 C.采用较高的压强 D.增大反应体系中H2的浓度 【答案】C 【解析】采用合适的高效催化剂，只能降低反应的活化能，从而加快反应速率，缩短反应到达平衡的时间，但不能提高H2的转化率，A不符合题意；合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，则在较高温度下，H2的平衡转化率降低，B不符合题意；合成氨反应为体积缩小的可逆反应，采用较高的压强，有利于平衡正向移动，能提高H2的转化率，C符合题意；增大反应体系中H2的浓度，虽然平衡正向移动，但H2的转化率降低，D不符合题意；故选C。 3.（23-24高二上·福建宁德·期末）某温度下，在密闭容器中进行合成氨反应：　。下列叙述正确的是 A.升高温度，平衡向正反应方向移动 B.充入一定量，的转化率不变，的转化率变大 C.工业生产中未转化的合成气循环利用，主要是为了提高氮气和氢气的利用率 D.增大压强，可增大单位体积内活化分子的百分数，有效碰撞增多 【答案】C 【解析】该反应为放热反应，升温，平衡会逆反应方向移动，A错误；充入一定量N2，平衡会正反应方向移动，H2的转化率变大，但N2的转化率减小，B错误；未转化的合成气循环利用，主要是为了提高氮气和氢气的利用率，C正确；增大压强，可增大单位体积内活化分子的数目，有效碰撞增多，但单位体积内活化分子的百分数未变，D错误；故选C。 4.（23-24高二上·天津·期末）下列关于工业合成氨的叙述错误的是 A.合成氨没有选择更大的压强是因为压强过大会增加生产投资，降低综合经济效益 B.使用铁触媒能降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应 C.工业合成氨温度为是因为升高温度有利于提高反应物的平衡转化率 D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动 【答案】C 【解析】压强过大对设备的要求比较大，会增加生产投资，A正确；催化剂通过降低反应的活化能，提高反应速度，B正确；合成氨的反应为放热反应，温度越高， 平衡逆向移动，不利于提高反应物的平衡转化率，C错误；分离生成物，根据勒夏特列原理，减少生成物浓度，平衡正向进行，D正确；故选C。 5.（23-24高二上·天津宁河·期末）已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出NH3；⑥补充N2或H2⑦加催化剂； A.③④⑤⑦ B.②④⑥ C.仅②⑥ D.②③⑥⑦ 【答案】C 【分析】合成氨反应，该反应的特点为：正反应放热且气体分子数减小；据此分析。 【解析】①减压，反应速率减慢，平衡逆向移动，NH3的产率减小，①不可采取； ②加压，反应速率加快，平衡正向移动，NH3的产率增大，②可采取； ③升温，反应速率加快，平衡逆向移动，NH3的产率减小，③不可采取； ④降温，反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，④不可采取； ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3，反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑤不可采取； ⑥补充N2或H2，反应速率加快，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑥可采取； ⑦加催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，NH3的产率不变，⑦不可采取； 故选②⑥；故选C。 6.（23-24高二上·山西晋中·期中）学习“化学反应的速率和化学平衡”内容后，联系工业生产实际所发表的观点，你认为正确的是 A.化学反应速率理论可指导怎样提高原料的平衡转化率 B.化学平衡理论可指导怎样使用有限原料多出产品 C.温度升高，分子动能增加，反应所需活化能减少，反应速率增大 D.增大压强能提高活化分子的百分率，提高单位时间内分子有效碰撞次数 【答案】B 【解析】化学反应速率是表示物质反应的快慢，不能改变原料的转化率，A错误； 化学平衡理论结合影响化学平衡的因素，采用合适的外界条件，是平衡向正反应方向移动，可提高产率，B正确； 温度升高，分子动能增加，活化分子比例增大，反应速率增大，不是反应所需活化能减少，C错误 ；增大压强能提高单位体积内活化分子数目，提高单位时间内分子有效碰撞次数，不是提高活化分子的百分率，D错误；故选B。 7.（23-24高二上·安徽六安·期中）合成氨工业中，在催化剂作用下发生反应。下列说法正确的是 A.该反应的反应物键能总和大于生成物的键能总和 B.实际生产中通常选择200℃、100Mpa条件下合成氨 C.采取迅速冷却的方法，使气态氨变为液态氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高氨的产量 D.增大催化剂的表面积，可有效加快反应速率和提高平衡转化率 【答案】C 【解析】合成氨的反应为放热反应，根据反应的焓变等于反应物的键能和减去生成物的键能和可知，该反应的反应物键能总和小于生成物的键能总和，A错误； 工业生产中宜选择200℃条件，此时催化剂活性较大，但不宜选用100MPa，因为氨的含量在此条件下升高并不明显，且成本较高，B错误；氨气易液化，实际生产中，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，从平衡角度考虑，平衡向正反应方向移动，从而可提高转化率与产率，C正确；  增大催化剂的比表面积(单位质量的物质所具有的总表面积)，可有效加快反应速率，但不会影响平衡，即不能提高平衡转化率，D错误；故选C。 8.（23-24高二上·河南信阳·期末）下列有关化学工业的说法正确的是 A.硫酸工业生产采用常压，是因为SO2在常压下的转化率已经很高了 B.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入的空气越多越好 C.合成氨工业，在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的 D.合成氨工业采用循环操作，主要是为了增大化学反应速率 【答案】A 【解析】A.硫酸工业生产采用常压，是因为SO2在常压下的转化率已经很高了，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备得不偿失，A正确；硫酸工业中，通入适量过量的空气可提高SO2的转化率，但通入的空气过多会需要更多的预热能量，所以不是越多越好，B错误；合成氨是放热反应，温度升高提高速率，温度低转化率高，对温度的要求不一致，C错误；合成氨工业采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率，D错误；故选A。 1.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期中）工业上制备硫酸的一步重要反应是在400~500℃下的催化氧化反应  。下列有关说法错误的是 A.从理论上分析，为了使尽可能多地转化为，应选择的条件是低温高压 B.在实际生产中控制温度为400~500℃，原因是温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 【答案】C 【解析】该反应是一个反应前后气体体积减小的放热的可逆反应，降低温度、增大压强平衡都正向移动，选择的条件是低温高压，A正确； 选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400-500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，B正确； 在二氧化硫的催化氧化中，常压下二氧化硫的转化率很高，增大压强会增加成本，C错误；要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确；故选C。 2.（23-24高二上·四川攀枝花·期中）如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 A.步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率 B.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 C.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 D.为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时及时将氨气液化分离，并将混合气中剩余的原料气循环利用 【答案】A 【分析】加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500℃并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用。 【解析】催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，合成氨反应为放热反应，高温不利于平衡正向移动，而液化分离出NH3和N2、H2的循环再利用均可以使平衡正向移动，所以步骤④、⑤有利于提高原料平衡的转化率，步骤③不能，故A错误；步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒，故B正确；合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，故C正确；在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，N2和H2的平衡转化率增大，故D正确；故选A。 3.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期末）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 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应 B.在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，这与催化剂的活性无关 C.反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率 D.为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO2需回收处理 【答案】B 【解析】由表格数据可知，在常压及400～500℃时，二氧化硫的转化率已经很高，继续增大压强，虽然二氧化硫的平衡转化率会提高，但不明显，且会增加设备成本，增大投资和能量消耗，故A正确；温度太高时，催化剂失去活性，则实际生产中，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳，故B错误；空气的成本较低，在实际生产中，通入过量的空气，反应物浓度增大，反应速率加快，平衡正向移动，从而可提高成本较高的二氧化硫的转化率，故C正确；尾气中的SO2必须回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，故D正确；故选B。 4.（23-24高二上·广东深圳·期末）催化氧化是制硫酸的关键步骤：。时，在的恒温恒容容器中加入和，测得混合气体的总物质的量随时间的变化如表所示： 0 3 6 10 15 25 3 2.50 2.35 2.15 2.10 2.08 2.06 下列推断不正确的是 A.，混合体系的压强逐渐减小 B.， C.时，反应时间最好定为 D.时，的平衡转化率为 【答案】C 【解析】0~10min，混合气体总物质的量不断减小，在恒温恒容容器中，混合体系的压强逐渐减小，A项正确；该反应每消耗2molSO2和1molO2生成2molSO3，气体总物质的量减少1mol，0~15min，混合气体总物质的量减少3mol-2.10mol=0.90mol，则消耗O2物质的量为0.90mol，v(O2)==0.02mol/(L∙min)，B项正确；由表中数据可见，15min时SO2的转化率已经很大，延长反应时间SO2的转化率增大不明显，综合经济效益降低，故反应时间最好定为15min，C项错误；设起始到平衡转化O2物质的量为xmol，列三段式，则2-2x+1-x+2x=2.06，解得x=0.94，SO2的平衡转化率为×100%=94%，D项正确；故选C。 5.（23-24高二上·黑龙江哈尔滨·期末）氨是制造化肥的重要原料，如图为工业合成氨的流程图，下列说法错误的是 A.工业上制氮气一般用分离液态空气法 B.步骤③的作用是充分利用热量，减少能耗 C.步骤①中“净化”混合气体可以防止催化剂中毒 D.步骤③中温度选择500℃，主要是考虑平衡时反应物的转化率 【答案】D 【分析】N2、H2混合气体经过净化（防止催化剂中毒）后，进行加压，加热到500℃在催化剂下反应生成氨气，N2、H2、NH3混合气与原料气进行热交换，接着将生成的氨气冷却液化，分离出去，同时将未反应的N2、H2混合气体循环通入合成塔，实现循环利用，据此分析作答。 【解析】空气中最主要的两种气体是氮气和氧气，利用空气中氮气的沸点比氧气低，先将空气加压降温变成液态，然后再加热，由于液氮的沸点（-196℃）比氧气的沸点（-183℃）低，氮气首先从液态空气中蒸发出来，留下液氧，所以工业上一般用分离液态空气法制氮气，A正确；步骤③用反应后N2、H2、NH3混合气加热原料气实现热交换，可以充分利用热量，减少能耗，B正确；为防止混有的杂质使催化剂中毒，反应前的氮气和氢气混合气体必须经过净化，C正确；步骤③中温度选择500℃，主要是考虑铁触媒在500℃左右时活性最大，D错误；故选D。 6.（23-24高二上·浙江温州·期中）在固定容积的密闭容器中，进行如下反应：  ，其化学平衡常数与温度的关系如下表。下列说法正确的是 温度(℃) 25 125 225 … 平衡常数 … A.能说明反应已达平衡 B.平衡常数 C.混合气体的平均摩尔质量不再改变不能说明反应已达平衡 D.为提高反应速率和平衡转化率，工业生产时通常选择400~500℃、10~30MPa的反应条件 【答案】A 【解析】用不同物质的反应速率判断达到平衡，要求反应方向是一正一逆，且反应速率之比等于化学计量数之比，即，因此2v正(H2)=3v逆(NH3)能说明反应达到平衡，故A正确；化学平衡常数只与温度有关，该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向进行，平衡常数减小，即平衡常数K1＞K2，故B错误；组分都是气体，混合气体总质量始终不变，该反应为气体物质的量减小的反应，因此混合气体的平均摩尔质量不变，说明反应达到平衡，故C错误；实际工业生产通常选择400～500℃是为了催化剂活性最大，加快反应速率，该反应为气体物质的量减少的反应，压强越大，有利于反应正向移动，但对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益，因此目前压强选择10～30MPa，故D错误；故选A。 7.（23-24高二下·江苏常州·期中）以、为原料合成涉及的反应如下： 反应Ⅰ： 反应Ⅱ： 反应Ⅲ： 在5MPa下，按照投料，平衡时，CO和在含碳产物中物质的量分数及的转化率随温度的变化如图。下列说法正确的是 A.反应Ⅲ中反应物的总键能大于生成物的总键能 B.曲线代表CO在含碳产物中物质的量分数 C.该条件下温度越低，越有利于工业生产 D.图示270℃时，平衡体系中的体积分数约为66.6% 【答案】D 【解析】根据盖斯定律I-Ⅱ可得反应ⅢCO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH3=-49kJ·mol-1-41kJ·mol-1=-90kJ·mol-1；ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能，故反应Ⅲ中反应物的总键能小于生成物的总键能，A错误；反应Ⅱ的正反应是吸热反应，生成物中有CO，温度升高，反应Ⅱ的平衡正向移动，CO的物质的量分数增大；反应Ⅲ的正反应是放热反应，反应物中有CO，温度升高，反应Ⅲ的平衡逆向移动，CO的物质的量分数也会增大，也就是说，温度升高，CO的产量变大，则CO在含碳产物的物质的量分数增大，故符合这个规律的是曲线n，B错误；由图可知，温度在150℃时有利于反应Ⅰ进行，CH3OH的含量高，有利于提高CH3OH的产率，但并不是温度越低越好，因为温度太低反应速率太慢，C错误；根据题意设起始量n(CO2)=1mol，n(H2)=3mol，平衡时甲醇和CO的物质的量相等，设CH3OH物质的量为 xmol，则CO 的物质的量也为xmol，270℃时CO2的转化率为25%，则平衡时CO2的物质的量为0.75mol，根据碳守恒：0.75+2x=1，解得x=0.125，根据氧守恒，水的物质的量为：2mol-0.75mol×2-0.125mol-0.125mol=0.25mol，根据氢守恒，氢气的物质的量为=2.5mol，则反应后总的物质的量0.75mol+0.125mol+0.125mol+2.5mol+0.25mol=3.75mol，则平衡体系中H2的体积分数为=66.7%，D正确；故选D。 8.（23-24高二下·河北邯郸·期末）工业上用CO2和合成甲醇涉及以下反应： I.   II.   在催化剂作用下，将CO2和的混合气体充入一恒容密闭容器中进行反应，达到平衡时，的转化率和容器中混合气体的平均相对分子质量随温度变化如图。下列判断合理的是 已知：平衡时甲醇的选择性为生成甲醇消耗的CO2在CO2总消耗量中占比。 A.， B.250℃前以反应Ⅱ为主 C.，平衡时甲醇的选择性为60% D.为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时甲醇的选择性，应选择的反应条件为高温、高压 【答案】C 【解析】由图可知，温度越高，CO2的转化率越小，平衡逆向移动，所以反应I为放热反应，反应II为吸热反应，A错误；由图可知，当温度高于250℃，CO2的转化率随温度的升高而增大，则250℃以后以反应II为主，B错误；，CO2转化率为 ，平均相对分子质量为20，混合气体总物质的量为： 则为，设甲醇为，为，，，,，计算，，甲醇的选择性为，C正确；因为反应I为放热反应，升高温度，CO2的平衡转化率降低，D错误。 ( 6 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$