2.4.1 化学反应的调控 导学案 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

化学反应的调控 学习目标　1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响和主要的工艺流程。2.了解工业生产条件选择的依据和原则。 以合成氨为例讨论化学反应的调控 (一)知识梳理 1.合成氨反应条件的原理分析 (1)反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。 (2)反应特点： 2.实际合成氨工业中选择的生产条件 条件 实际 压强 压强大，对材料的强度和设备的要求高，增加生产成本并降低综合经济效益。一般采用的压强为________________ 温度 温度升高有利于提高反应速率，一般采用的温度为____________ 催化剂 一般选择铁触媒作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在________左右时活性最大，这也是温度选择的原因之一 浓度 工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离，分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气 3.化学反应的调控 影响化学反应进行的因素有两个方面：参加反应的物质本身因素(组成、结构、性质等)和外部条件(温度、压强、浓度、催化剂等)。化学反应的调控，就是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。在实际生产中，要综合考虑________________和____________的因素，寻找一个适宜的生产条件。 (二)问题探究 问题1　合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。 已知：298 K时，ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1；合成氨反应的平衡常数K＝4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。 ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 问题2　请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。 ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 问题3　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？ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 问题4　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？ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 问题5　工业合成氨主要考虑哪些因素？ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 【探究归纳】 1.合成氨工业简要流程图 2.合成氨生产流程示意图 3.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 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 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 4.选择化工生产适宜条件的分析角度 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) 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 1.(2024·绵阳南山中学高二期中)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①中“净化”可以防止催化剂“中毒” B.步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率 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.工业合成氨反应ΔH<0，该反应能在低温自发进行 2.水煤气的主要成分为CO和H2，工业上常利用CH4和H2O在催化剂和一定条件下来制备水煤气，原理为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。下列条件中最适宜工业生产水煤气的是(　　) A.温度为25 ℃，压强为50 kPa B.温度为25 ℃，压强为101 kPa C.温度为500 ℃，压强为1 000 kPa D.温度为800 ℃，压强为250 kPa 3.工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。 (1)一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量的N2和H2发生反应：N2＋3H22NH3　ΔH<0 ①下列证据不能说明反应一定达到化学平衡状态的是________。 A.N2的转化率不再改变 B.容器内气体的质量不再改变 C.容器内的压强不再改变 D.v正(N2)＝2v逆(NH3) ②采取的下列措施既可以提高反应速率又可以提高原料转化率的是________(填字母)。 a.用铁触媒作催化剂 b.采用较高压强(20 MPa～50 MPa) c.采用较高温度(500 ℃左右) d.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来 (2)合成氨生产流程示意图如下。 ①流程中，有利于提高原料利用率的措施是________________________________________________________________ ________________________________________________________________； 有利于提高单位时间内氨的产率的措施有________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 (至少写出两点) ②“干燥净化”中，有一步操作是用铜氨液除去原料气中的CO，其反应为：[Cu(NH3)2]＋＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]＋　ΔH<0。对吸收CO后的铜氨废液应该怎样处理？请提出你的建议：________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 (3)实验室研究是工业生产的基石。下图中的实验数据是在其他条件不变时，不同温度(200 ℃、400 ℃、600 ℃)、压强下，平衡混合物中NH3的物质的量分数的变化情况。 ①曲线a对应的温度是________。 ②M、N、Q点平衡常数K的大小关系是________。 化学反应的调控 一、 (一)1.(2)可逆　减小　　2.10 MPa～30 MPa　400～500 ℃　500 ℃　3.化学反应速率　化学平衡 (二) 问题1　由于ΔH－TΔS＝－92.4 kJ·mol－1＋298 K×198.2×10－3 kJ·K－1·mol－1<0，故298 K下合成氨反应能自发进行。 问题2　低温、高压有利于氨的合成。 问题3　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，但压强越大需要的动力越大，对材料和设备的制造要求越高，一般采用的压强为10～30 MPa。 问题4　不是。因为从化学平衡的角度考虑，合成氨在低温时有利于平衡向生成氨的方向移动，但是温度过低时反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，一般采用的温度为400～500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。 问题5　化学反应速率、原料的利用率、单位时间内的产量、生产中的耗能、设备条件等因素。 对点训练 1.B　[步骤①中“净化”是除去杂质，以防止催化剂中毒，A正确；步骤③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，所以不能提高平衡转化率；步骤④液化分离出NH3，可以使平衡正向移动，有利于提高原料的平衡转化率；步骤⑤N2、H2的循环再利用有利于提高原料的平衡转化率：所以步骤④、⑤有利于提高原料的转化率，步骤③不能，B错误；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，C正确； 工业合成氨反应ΔH<0，气体分子数减小，即ΔS<0，根据ΔG＝ΔH－TΔS，低温时才能使ΔG<0，所以该反应能在低温自发进行，D正确。] 2.D　[对于反应CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0，反应物气体的物质的量小于反应产物气体的物质的量之和，则增大压强，平衡逆向移动，正反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，则工业生产水煤气，可在高温下进行，排除A、B，C、D相比较，D压强较小，有利于平衡正向移动。] 3.(1)①BD　②b (2)①加压、分离出液氨、原料循环使用　加压、400 ℃～500 ℃、铁触媒　②经减压并加热、使被吸收的CO释放出来并收集、吸收液循环使用 (3)①200 ℃　②KQ＝KM>KN 解析　(1)①随反应进行，N2转化为NH3，N2转化率增大，N2的转化率不再改变时，能说明反应达到平衡状态，A不选；化学反应中只有气体参加和生成，气体质量不发生变化，容器内气体的质量不再改变，不能说明反应达到平衡状态，B选；该反应是气体分子数减小的反应，随反应进行，气体物质的量减小，压强减小，容器内的压强不再改变，能说明反应达到平衡状态，C不选；可逆反应达平衡状态时v正＝v逆，即v正(N2)∶v逆(NH3)＝1∶2，2v正(N2)＝v逆(NH3)，则v正(N2)＝2v逆(NH3)不能体现v正＝v逆，不能说明反应达到平衡状态，D选。②催化剂只能提高反应速率，不能提高原料平衡转化率，a不选；较高压强能提高反应速率，能使平衡正向进行，提高原料平衡转化率，b选；较高温度能提高反应速率，使平衡向吸热反应进行即逆向移动，使原料平衡转化率降低，c不选；将生成的氨液化并及时从体系中分离出来，使反应速率减小，平衡正向移动，原料平衡转化率提高，d不选。(2)该反应是气体分子数减小的反应，压缩机加压采用较高压强(10 MPa～30 MPa)，可以使平衡正移从而提高原料利用率，将生成的氨冷却液化并及时从体系中分离出来，可以使平衡正移从而提高原料利用率，N2、H2循环使用可以使平衡正移从而提高原料利用率；加压采用较高压强可以提高反应速率，从而提高单位时间内氨的产率，在400 ℃～500 ℃较高温度下、使用催化剂铁触媒都可以提高反应速率，从而提高单位时间内氨的产率；该反应的逆反应为吸热反应，气体分子数增大的反应，可以减小压强并加热升高温度，使反应逆向进行，使被吸收的CO释放出来并收集，又得到铜氨液，铜氨吸收液可以循环使用。(3)在相同压强下如20 MPa，曲线a代表的平衡时NH3的物质的量分数最大，N2＋3H22NH3　ΔH<0该反应为放热反应，温度越低，平衡正向进行程度越大，平衡时NH3的物质的量分数越大，故曲线a代表的温度低为200 ℃；曲线b代表的温度为400 ℃，曲线c代表的温度为600 ℃，平衡常数只与温度有关，M、Q点温度相同为400 ℃，平衡常数KQ＝KM，N点温度为600 ℃，温度升高，平衡逆移，平衡常数减小，故KQ＝KM>KN。 学科网（北京）股份有限公司 $$