第二章 第四节 化学反应的调控-【金版教程】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1创新导学案word（人教版2019，不定项版）

化学　选择性必修1[不定项] 第四节　化学反应的调控 1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科研中的重要作用。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。 一、外界条件对合成氨反应的影响 1．合成氨反应原理： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。反应特点：气体体积减小的放热反应。 2.升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大。 3.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。 4.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．压强的选择 根据合成氨反应的热化学方程式，从平衡控制的角度来看，合成氨时压强越大越好。但压强越大，对材料强度和设备制造的要求越高。这将大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10__MPa～30__MPa。 2．温度的选择 根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。但是温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡时间过长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择一个合适的温度。目前，实际生产一般采用的温度是400～500__℃。 3．催化剂的选择 即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢，通常需要加入催化剂。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500__℃左右时活性最大，这也是合成氨反应一般选择在400～500__℃进行的重要原因。原料气必须净化，防止“催化剂中毒”。 4．浓度对合成氨生产的影响 (1)采取迅速冷却的方法及时分离出液态氨，促进平衡向生成NH3的方向移动。 (2)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，以利于合成氨反应。 5．实际生产需考虑的因素 (1)综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素。 (2)结合设备条件、安全操作、经济成本等实际问题考虑。 (3)根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析、权衡利弊。 　判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。(　　) (2)在合成氨反应中使用催化剂和施加高压都能提高反应速率，都对化学平衡无影响。(　　) (3)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好。(　　) (4)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保。(　　) (5)合成氨中，加入催化剂能提高原料的利用率。(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)× 工业上以黄铁矿(FeS2)为原料生产硫酸的工艺流程如图： A为沸腾炉，反应为4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2；B为接触室，反应为2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1；C为吸收塔，反应为SO3＋H2O===H2SO4。接触室中利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是工业制硫酸中最关键的步骤。下表是不同压强、温度时SO2的转化率情况。 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 [问题探究] 1．从理论上分析，为了使反应物的转化率尽可能大，在温度和压强方面如何选择？ 提示：低温高压。 2．在实际工业生产中通常选择的温度是450 ℃，理由是什么？ 提示：该反应是放热反应，升高温度，反应物转化率降低，在450 ℃时反应物转化率较高。 3．在实际工业生产中通常选择的压强是多少？理由是什么？ 提示：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，但对设备及动力的要求更高。 4．在合成SO3的过程中，解释不需要分离出SO3的原因。 提示：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。 知识点　工业生产中化学反应条件的选择和优化 化学反应选择适宜条件的基本思路 在实际生产中应当运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡移动规律，既考虑反应进行的快慢，又考虑反应的限度： (1)从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变、反应的方向四个角度分析反应的特点。 (2)根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和限度的影响；从反应速率和限度的角度综合分析，再充分考虑实际情况，选择适宜的外界条件。 (3)工业合成氨条件选择的理论依据 外界条件 有利于使反应速率增大的条件的控制 有利于平衡正向移动的条件的控制 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 不断补充反应物、及时分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾反应速率和化学平衡，考虑催化剂的适宜温度 压强 高压 ΔV(g)<0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 1．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．①②③⑤⑧ 答案　C 解析　从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑧不影响化学平衡，③使化学平衡向左移动。 2．德国化学家哈伯(Haber)在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是(　　) A．增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率 B．升高温度既可以加快反应速率，又可以提高平衡转化率 C．冷却过程中采用热交换有助于节约能源 D．原料循环使用可提高其利用率 答案　B 解析　合成氨反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低平衡转化率，B错误。 本课总结 自我反思：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 随堂提升 1．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，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700 K左右，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是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 答案　B 2．如图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率采取的措施是(　　) A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④ 答案　C 3．苯乙烯与溴苯在一定条件下发生Heck反应： 溴苯用量/mmol 100 100 100 100 100 100 100 催化剂用量/mmol 2 2 2 2 2 2 2 反应温度/℃ 100 100 100 100 120 140 160 反应时间/h 10 12 14 16 14 14 14 产率/% 81.2 84.4 86.6 86.2 93.5 96.6 89.0 根据上表数据，下列说法正确的是(　　) A．最佳反应温度为100 ℃ B．最佳反应时间为16 h C．温度过高时催化剂活性可能降低 D．增大压强可以提高产率 答案　C 4．(2023·浙江A9协作体高二联考)工业上合成氨是在一定条件下进行反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ/mol；其部分工艺流程如图： (1)N2、H2需要经过铜氨溶液处理净化，除去其中的CO，其反应为[Cu(NH3)2]＋＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]＋　ΔH<0。铜氨溶液吸收CO适宜的生产条件是________。 (2)下列有关合成氨工业的叙述，正确的是________(填字母)。 A．循环的气体是N2、H2、NH3 B．采用高温是为了保证尽可能高的平衡转化率与快的反应速率 C．及时分离出产品，有利于反应正向进行 D．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率 E．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 答案　(1)低温高压　(2)CE 课时作业 [学习·理解] 本组内选择题只有一个选项符合题意。 1．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．使用催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃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 答案　B 2．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，可改变的条件是(　　) A．增加LaNi5H6(s)的量 B．降低温度 C．减小压强 D．使用催化剂 答案　C 3．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　) A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 答案　C 解析　对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。 4．下列有关工业生产的叙述正确的是(　　) A．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可加快正反应速率，提高N2、H2的转化率 B．硫酸厂靠近原料产地比靠近硫酸消费中心更为有利 C．由于2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，所以硫酸生产中常采用高压条件提高SO2的转化率 D．充分利用硫酸厂生产过程中产生的“废热”，可使硫酸厂向外界输出大量的能量 答案　D 解析　合成氨时将氨液化使反应正向移动，但浓度减小，正、逆反应速率减小，故A错误；厂址的选择要综合考虑，因为工厂会造成污染，硫酸又有强腐蚀性，运输成本较高，故B错误；对于二氧化硫与氧气生成三氧化硫的反应，在常压下二氧化硫的转化率已相当高，没必要提高成本采取高压，故C错误。 5．纳米钴常作为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．缩小容器容积，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，其目的是提高CO的平衡转化率 答案　B 解析　催化剂可加快反应速率，但不能使平衡发生移动，A错误；该反应的正反应是气体体积减小的反应，缩小容器的容积，平衡向正反应方向移动，但CO的浓度增大，B正确；从平衡体系中分离出H2O(g)，正、逆反应速率比原平衡时慢，C错误；该反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，反应物转化率会降低，工业生产中采用高温条件是为了提高化学反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，D错误。 [应用·实践] 本组内选择题有一个或两个选项符合题意。 6．关于合成氨工业：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)＋Q kJ(Q>0)，下列说法不正确的是(　　) A．1 mol N2和3 mol H2的总键能大于2 mol NH3的总键能 B．使用铁触媒作为催化剂对Q值的大小无影响 C．用水吸收NH3后，剩余N2和H2循环利用提高原料利用率 D．反应采用高温条件，可以用勒夏特列原理解释 答案　AD 解析　N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)＋Q kJ(Q>0)为放热反应，反应物的总键能小于生成物的总键能；升高温度，平衡逆向移动，不利于氨气的合成，不能用勒夏特列原理解释，故A、D错误。 7．Xe和F2形成的氟化物有XeF6、XeF4、XeF2三种，已知：在低温下主要发生Xe＋3F2XeF6，随着温度升高XeF6、XeF4依次发生分解反应。如图表述的是以0.125 mol/L Xe和1.225 mol/L F2为始态得到的生成物在平衡体系内的分压与反应温度的关系。下列说法错误的是(　　) A．由图可知Xe的三种氟化物中XeF2最稳定 B．反应XeF4(g) XeF2(g)＋F2(g)的ΔH<0 C．制备XeF6的合适温度约为550 K D．XeF2与NaOH溶液反应产生O2的化学方程式为2XeF2＋4NaOH===2Xe↑＋O2↑＋4NaF＋2H2O 答案　B 解析　由题图可知，高于850 K时主要发生反应XeF4(g) XeF2(g)＋F2(g)，升高温度时XeF4(g)减少，平衡正向移动，所以该反应的ΔH>0，B错误。 8．煤气化的一种方法是在气化炉中给煤炭加氢，发生的主要反应为C(s)＋2H2(g) CH4(g)。在V L的容器中投入a mol碳(足量)，同时通入2a mol H2，控制条件使其发生上述反应，实验测得碳的平衡转化率随压力及温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．上述正反应为吸热反应 B．在4 MPa，1200 K时，图中X点v正(H2)＞v逆(H2) C．在5 MPa，800 K时，该反应的平衡常数为 D．工业上维持6 MPa，1000 K而不采用10 MPa，1000 K，主要是因为前者碳的转化率高 答案　AB 解析　观察题图，温度越高，碳的平衡转化率越大，平衡正向移动，正反应为吸热反应，A正确；X点时未平衡，反应正向进行，正反应速率大于逆反应速率，B正确；在5 MPa，800 K时，碳的平衡转化率为50%，列三段式： 　　　 　　C(s)＋2H2(g) CH4(g) 起始量(mol) a 2a 转化量(mol) 0.5a a 0.5a 平衡量(mol) 0.5a a 0.5a K＝＝，C错误；选择该条件的原因是两者转化率相差不大，压强增大对设备要求高，能量需求大，D错误。 9．工业合成氨是人类科技的一项重大突破，其反应为3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol。 (1)判断该反应的自发性并说明理由：_______________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)工业合成氨流程示意图如图1： ①工业上通常在400～500 ℃下进行合成氨反应，用碰撞理论解释为什么不在常温下进行反应：______________________________________________________________。 ②干燥净化的目的是__________________________________________________，装置A的作用为________，B处的物质主要是________(写出物质并注明状态)。 ③工业上N2和H2混合气反应后经过图1中的过程再及时补充N2和H2进入合成塔反应，以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，循环过程中转化率随温度变化曲线如图2所示，图2所示进程中表示热交换过程的是________。 A．a1→b1　B．b1→c1　C．c1→a2　D．a2→c1 E．c1→b2　F．b2→c2　G．c2→a3　H．a3→c2 (3)已知Arrhenius经验公式为Rln k＝－＋C(Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数)，假设使用现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图3所示，2016年我国科学家研制出一种新型催化剂，合成氨条件降为350 ℃、1 MPa，用虚线在图3中画出使用该高效催化剂时Rln k与的关系曲线。 答案　(1)该反应在低温条件能够自发进行。该反应为放热的熵减反应，根据ΔH－TΔS<0反应能够自发进行，则该反应在低温条件能够自发进行 (2)①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢　②除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒，降低催化效率　增大压强　NH3(l)　③BDFH (3) 解析　(2)③反应混合气在热交换器中与原料气进行热交换，在此过程中反应混合物不与催化剂接触，反应速率大幅度减小，虽然温度降低但是转化率几乎不变；由于以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，故回收利用的原料气的温度升高，转化率也几乎不变；故图2所示进程中表示热交换过程的是b1→c1、a2→c1、b2→c2、a3→c2，故选BDFH。 (3)已知Rln k＝－＋C(Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数)，由图可知，曲线的斜率为－Ea，使用该高效催化剂下活化能更小，反应速率更快，则Rln k与的关系图见答案。 [创新·提高] 10．(2023·浙江宁波高三二模)锰及其化合物在催化剂及金属材料方面有重要的应用。我国主要以菱锰矿(主要成分为MCO3，M为Mn、Mg或Ca)为原料，通过热解法生产二氧化锰等锰基催化剂。 (1)提取MnCO3的转化关系如下： ―→ 已知：MCO3(s)===MO(s)＋CO2(g)　ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG­T关系如下图。 ①“焙烧”过程ΔH最大的是________。 A．CaCO3 B．MgCO3 C．MnCO3 ②“焙烧”温度应控制在________。 (2)T ℃时，碳酸锰热解制二氧化锰的热化学方程式为2MnCO3(s)＋O2(g)2MnO2(s)＋2CO2(g)　ΔH ①若该反应的速率方程表示为v正＝k正c(O2)和v逆＝k逆c2(CO2)[k正和k逆分别为正、逆反应速率常数，在一定温度下为常数]，该反应的平衡常数K＝________(用k正、k逆表示)。 ②焙烧时在入口持续通入空气，并不断用真空抽气泵在装置尾端抽气的目的是__________________________________________________________________。 答案　(1)①A　②622.7～913.3 K (2)①　②保持O2的浓度，降低CO2的浓度，使平衡正向移动，提高二氧化锰的产率 解析　(1)①“焙烧”过程中，相同温度下，ΔG的大小顺序为CaCO3＞MgCO3＞MnCO3，且ΔG＝ΔH－TΔS，则“焙烧”过程ΔH最大的是CaCO3；②由流程图可知，“焙烧”过程中，仅MnCO3分解，则“焙烧”温度应控制在622.7～913.3 K。 (2)①平衡时，v正＝v逆，即k正c(O2)＝k逆c2(CO2)，则K＝＝。 12 学科网（北京）股份有限公司 $$