第2章 第4节 新知探究课10 化学反应的调控-【名师导航】2023-2024学年高中化学选择性必修1同步讲义(人教版2019)

第四节　化学反应的调控 新知探究课10　化学反应的调控 1．能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律，推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化，能讨论化学反应条件的选择和优化，培养“变化观念与平衡思想”的化学核心素养。 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，能讨论化学反应条件的选择和优化，培养“变化观念与平衡思想”“科学态度与社会责任”的化学核心素养。 一、工业合成氨的影响因素 1．合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol-1，ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1。 (1)可逆性：反应为可逆反应。 (2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。 (3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 高压 高压 温度 高温 低温 催化剂 使用 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 微点拨：温度对反应速率和平衡转化率的影响是不一致的，工业合成氨的温度要适宜。 二、工业合成氨的适宜条件 1．问题讨论 (1)压强：目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa，不采用更高压强的理由是压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力也越大。 (2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是 ①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。 ②400～500_℃催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。 (3)催化剂：以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。原料气必须经过净化，防止催化剂中毒。 (4)浓度 ①采取的措施：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；将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 ②采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向合成氨的方向移动，此外，原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。 2．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 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10 MPa～30 MPa) 温度 适宜温度，400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 使氨液化并及时分离，循环利用原料气 微点拨：工业生产中，必须从反应限度和反应速率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。 判一判　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 (　×　) (2)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 (　×　) (3)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。 (　×　) (4)合成氨反应只有在催化剂的条件下才能增加转化率。 (　×　) (5)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好。 (　×　) 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol-1。已知催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化效果最好，如题表为不同温度和压强下SO2的转化率： 温度 转化率 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% [问题1]　在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是什么？ [提示]　兼顾速率和平衡，且在此温度下催化剂的活性最高。 [问题2]　根据题表中的数据分析，制取SO3时为什么不采用高压？ [提示]　在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。 [问题3]　在生产中，通入过量空气的目的是什么？ [提示]　使平衡向正反应方向移动，提高价格较高的SO2的转化率。 [问题4]　工业合成SO3的适宜条件是什么？ [提示]　常压。450 ℃左右，催化剂，过量空气。 工业生产过程中适宜条件的选择 1．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 D　[工业上合成M可能采用常压，如硫酸工业中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。] 2．纳米钴常用于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，提高了反应物的转化率 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 B　[催化剂不能使化学平衡发生移动，不能提高转化率，A不正确；缩小容器容积，压强增大，平衡向正反应方向移动，虽然CO的物质的量减小，但是容器容积缩小的程度比CO物质的量减小的程度大，CO的浓度增大，B正确；从平衡体系中分离出H2O(g)，平衡正向移动，随反应的进行，反应物浓度降低，正反应速率也会减慢，C不正确；反应放热，升高温度CO的转化率降低，工业生产中采用高温条件，其目的是提高化学反应速率，提高单位时间的产量，从而提高经济效益，D不正确。] 合成氨的适宜条件为适当的高压(10～30 MPa)，适宜的温度(400～500 ℃)和铁触媒，同时可以使NH3液化且分离出来和循环利用N2、H2 1．工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是(　　) ①适当提高合成氨的速率 ②提高H2的转化率 ③提高氨的产率 ④催化剂在700 K时活性最大 A．①③ B．①② C．②③④ D．①④ [答案]　D 2．(情境素材)化学家使用了一种铁化合物作催化剂，在常温常压下合成氨，反应可表示为N2＋3H22NH3，下列有关说法正确的是(　　) A．不同的催化剂对化学反应速率的影响均相同 B．哈伯法合成氨是吸热反应，新法合成氨是放热反应 C．新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键 D．新法合成氨与哈伯法合成氨相比不需要在高温条件下，可节约大量能源，极具发展前景 D　[A.不同的催化剂催化机理不同，效果也不同，但在其他条件相同时，转化率相同，A错误；B.哈伯法合成氨和新法合成氨都是放热反应，B错误；C.任何化学反应都涉及旧键的断裂和新键的生成，C错误。] 3．(生产素材)工业生产苯乙烯是利用乙苯的脱氢反应： 针对上述反应，在其他条件不变时，下列说法正确的是(　　) A．加入适当催化剂，可以提高苯乙烯的产量 B．仅从平衡移动的角度分析，工业生产苯乙烯选择恒压条件优于恒容条件 C．加入乙苯至反应达到化学平衡的过程中，混合气体的平均相对分子质量不断增大 D．在保持容积一定的条件下，充入较多的乙苯，可以提高乙苯的转化率 B　[催化剂只改变反应速率，不影响平衡移动，加入催化剂，不能提高苯乙烯的产量，故A错误；反应后气体的物质的量增大，在恒容条件下，容器中气体的压强不断增大，不利于平衡正向移动，因此仅从平衡移动的角度分析，工业生产苯乙烯选择恒压条件优于恒容条件，故B正确；加入乙苯至反应达到平衡的过程中，气体的总质量不变，但物质的量逐渐增大，则混合气体的平均相对分子质量不断减小，故C错误；在保持容积一定的条件下，充入较多的乙苯，相当于在原来的基础上压强增大，则平衡逆向移动，乙苯的转化率减小，故D错误。] 4．在密闭容器中，一定条件下，进行如下反应：NO(g)＋CO(g)⥫⥬N2(g)＋CO2(g)　ΔH＝－373.2 kJ·mol-1，达到平衡后，为提高该反应的速率和NO的转化率，采取最好的措施是(　　) A．加催化剂同时升高温度 B．加催化剂同时增大压强 C．升高温度同时充入N2 D．升高温度同时增大压强 [答案]　B 5．(生产素材)合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2Ac(aq)＋CO(g)＋NH3(g)⥫⥬[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)　ΔH＜0。 (1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是______________。 (2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，溶液再生的生产适宜条件是__________________________________。 [答案]　(1)低温、高压　(2)高温、低压 新知探究课固基练(十)　化学反应的调控 1．下列关于工业合成氨的叙述正确的是(　　) 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．使用催化剂能提高化学反应速率，促进化学平衡移动 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．合成氨工业中压强越大越好 C　[工业合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol-1，该反应为放热反应，温度选择为700 K左右，主要因为该温度下催化剂活性最大，提高化学反应速率，A项错误；催化剂并不能使平衡移动，B项错误；H2和N2合成NH3的反应为可逆反应，将NH3液化分离，平衡正向移动，可提高N2、H2的转化率，C项正确；合成氨时压强并非越大越好，一般为10～30 MPa，降低设备要求，D项错误。] 2．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　) A．500 ℃和30 MPa时从合成塔出来的混合气体中，氨气占26.4%，所以合成氨工厂的效率都很低 B．温度越高，反应速率越快，越有益于工业合成氨 C．合成氨工业反应温度控制在400～500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D．我国合成氨厂一般采用的压强是10～30 MPa D　[虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占26.4%，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，A项错误；控制反应温度为400～500 ℃，是为了使催化剂活性最大和提高化学反应速率，B、C项错误；D正确。] 3．低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为2NH3(g)＋NO(g)＋NO2(g)2N2(g)＋3H2O(g)　ΔH＜0。在恒容的密闭容器中，下列有关说法正确的是(　　) A．平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大 B．单位时间内消耗NH3和N2的物质的量比为1∶1时，反应达到平衡 C．平衡时，其他条件不变，增加NH3的浓度，逆反应速率将减小，平衡常数减小 D．其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的平衡转化率增大 B　[焓变为负，为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小， A错误；单位时间内消耗NH3和N2的物质的量比为1∶1时，可知不同物质的正、逆反应速率之比等于化学计量数之比，则反应达到平衡状态， B正确；增加NH3的浓度，瞬间正反应速率增大、逆反应速率不变，之后逆反应速率增大至不变，K与温度有关，温度不变，平衡常数不变， C错误；催化剂不影响平衡移动，则使用高效催化剂，废气中氮氧化物的平衡转化率不变， D错误。] 4．工业制硫酸中的一步重要反应是SO2在400～500 ℃和常压下的催化氧化：2SO2＋O2⥫⥬2SO3，这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行，下述相关说法中错误的是(　　) A．反应温度选择400～500 ℃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．因为在常压下该反应的速率和SO2的转化率已经很高了，所以选择常压条件主要是从生产成本角度考虑 C．为提高SO2的转化率，应适当提高O2的浓度 D．使用催化剂是为了加快反应速率，提高SO3产率 D　[催化剂不影响平衡移动，使用催化剂是为了加快反应速率，而SO3产率不变， D错误。] 5．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Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下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 B　[B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。] 6．CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)⥫⥬CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应的ΔH______(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是_____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。 [解析]　从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，增加生产成本。 [答案]　<　在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低 7．化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是某种合成氨气的流程图，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 [答案]　B 8．为了研究一定浓度Fe2+的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率，实验结果如图所示，判断下列说法正确的是(　　) A．pH越小，氧化率越大 B．温度越高，氧化率越小 C．Fe2+的氧化率仅与溶液的pH和温度有关 D．实验说明降低pH、升高温度有利于提高Fe2+的氧化率 D　[根据题图知，只有当温度和其他条件相同，pH不同时，pH越小，Fe2+的氧化率才越大， A错误；只有当pH等其他条件相同，温度不同时，温度越高Fe2+的氧化率才越大， B错误； Fe2+的氧化率不仅和温度、pH有关，还与离子的浓度等其他因素有关， C错误；根据题图知，降低pH、升高温度Fe2+的氧化率增大， D正确。] 9．二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”，由合成气制备二甲醚的主要原理如下： ①CO(g)＋2H2(g)⥫⥬CH3OH(g)　ΔH1＝－90.7 kJ·mol-1　K1 ②2CH3OH(g)⥫⥬CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH2＝－23.5 kJ·mol-1　K2 ③CO(g)＋H2O(g)⥫⥬CO2(g)＋H2(g) ΔH3＝－41.2 kJ·mol-1　K3 回答下列问题： (1)反应3H2(g)＋3CO(g)⥫⥬CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝________kJ·mol-1；该反应的平衡常数K＝________(用K1、K2、K3表示)。 (2)下列措施中，能提高(1)中CH3OCH3产率的有________。 A．使用过量的CO B．升高温度 C．增大压强 (3)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu—Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚(CH3OCH3，DME)。观察下图，当约为________时最有利于二甲醚的合成。 [解析]　(1)根据盖斯定律可知，①×2＋②＋③得3H2(g)＋3CO(g)⥫⥬CH3OCH3(g)＋CO2(g)　ΔH＝－246.1 kJ·mol-1，K＝·K2·K3。(2)为提高CH3OCH3的产率，应使平衡正向移动，故选A、C。 [答案]　(1)－246.1　·K2·K3　(2)A、C　(3)2.0 2/11 学科网（北京）股份有限公司 $$