第10讲 化学反应的调控-【暑假预学】2025-2026学年高二化学人教版（2019）预学教程

第10讲 化学反应的调控 学习任务 预学1：合成氨反应的原理和数据分析预学2：合成氨反应的条件调控 预学3：调控化学反应需考虑的问题 ◆预学1 合成氨反应的原理和数据分析 1．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？填入下表。 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 _________ _________ _________ _________ 提高平衡混合物中氨的含量 _________ _________ _________ _________ 2．下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)温度升高，氨的含量_________；这与速率是_________的； (2)压强增大，氨的含量_________；这与速率是_________的 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施可能不一致。 【典例1】对于可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0，下列说法中正确的是( ) A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率 D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，而逆反应速率减小 【对点练】将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( ) 改变条件 新平衡与原平衡比较 A 压缩体积 N2的浓度一定变小 B 升高温度 N2的转化率变小 C 充入一定量H2 H2的转化率不变，N2的转化率变大 D 使用适当催化剂 NH3的体积分数增大 1.反应速率 2.反应转化率 ◆预学2 合成氨反应的条件调控 1．工业合成氨的适宜条件 改变 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择 增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡时混合物中NH3的产量 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用 1.3×107~3×107 Pa的压强 升高 温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨的温度要适宜，工业上一般采用500 ℃左右的温度(因该温度时，催化剂的活性最大) 使用催化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂 2．合成氨的工艺流程 3．流程分析 (1)原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 (2)压缩机加压：增大压强 (3)热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 (4)冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 (5)循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，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，以利于合成氨反应，提高经济效益。 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 (1)工业上合成氨不采用更高压强，原因在于压强越大，对设备的要求越高、成本越高。 (2)工业上合成氨不采用更高温度，原因在于；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，催化剂活性减弱甚至失活。 【典例2】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%，所以生产氨的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2是循环使用的，总体来说氨的产率很高 C．合成氨反应温度控制在400~500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨采用的压强是10~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 【对点练】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是合成氨生产流程示意图，下列说法不正确的是( ) A．“干燥净化”可以防止催化剂中毒 B．“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率 C．“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率 D．“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热 合成氨的适宜条件 反应条件 压强 温度 催化剂 浓度 1.3×107~3×107Pa 500 ℃ 左右 铁触媒 使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去，及时补充N2和H2 ◆预学3 调控化学反应需考虑的问题 1．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_________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 _________ ΔH＜0 _________ 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 _________ 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) Δνg＜0 _________ 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δνg＞0 _________ 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2．选择工业合成适宜条件的原则 (1)温度 ①所选温度兼顾反应速率_________，产品含量_________。 ②尽可能选择催化剂的_________温度。 (2)压强 ①所选压强对反应物转化率的影响__________________大。 ②压强不能无限大，防止增大_________成本和_________成本。 (3)催化剂 ①选用催化效率高的催化剂。 ②催化剂对反应有_________性，同一反应物选用不同的催化剂，产物可能不同。 A+BC A+BD ③某些物质能够使催化剂中毒，失去活性。 (4)浓度：原料尽可能循环利用 ①适当增大_________物质的浓度，提高难获得原料的转化率。 ②必要时可以采用_________反应，以增大原料利用率。 (5)反应热的综合利用：一般采用_________。 (6)反应容器的选择：_________容器有利于提高反应物的转化率。 3．化学反应的调控 (1)含义：通过改变____________使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 (2)调控的目的：促进_________的化学反应，抑制_________的化学反应。 (3)考虑实际因素：结合设备_________、安全_________、经济_________等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的_________________；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，才能实施生产。 (4)控制的措施与效果 ①加快或减慢反应速率(改变温度、浓度、压强，使用催化剂等)。 ②提高或降低反应物的转化率(控制温度、浓度、压强等)。 ③减少甚至消除有害物质的生成。 ④控制副反应的发生。 (5)化工生产中控制反应条件的原则 在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本、安全操作、环境保护和实际可能性等。 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 (1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性； (2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制； (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。 【典例3】化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是( ) A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入的空气越多越好 B．工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强 C．工业合成氨，考虑催化剂的活性选择400~500℃的反应温度 D．炼铁高炉的进风口设置在下端有利于燃料充分利用 【对点练】某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(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廉价易得，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 化工生产中调控反应的一般思路 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)在反应N2+3H22NH3中，3v(H2)=2v(NH3)。( ) (2)合成氨反应中，5 s末v(N2)=0.5 mol·L-1·s-1时，v(NH3)=1 mol·L-1·s-1。( ) (3) 工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行。( ) (4)已达平衡的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，当增大N2的浓度时，平衡向正反应方向移动，N2的转化率一定升高。( ) (5)铁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。( ) (6)将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。( ) (7)升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。( ) (8)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。( ) (9)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。( ) (10)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保。( ) 【基础训练】 1．合成氨解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿和死亡问题，下列有关工业合成氨的说法错误的是( ) A．反应物是N2 和H2 B．过程属于生物固氮 C．反应属于可逆反应 D．反应条件是高温、高压、催化剂 2．合成氨反应中催化剂的作用是( ) A．使逆反应不发生 B．使平衡向正反应方向移动 C．加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间 D．提高原料的转化率 3．不符合工业合成氨生产实际的是 A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用 C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行 4．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是( ) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C．采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温 D．采用2×107～5×107 Pa的压强 5．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是 A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C．700K左右比室温更有利于合成氨的反应 D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 6．在合成氨反应中使用催化剂和增大压强，下列叙述中正确的是(　　 ) A．都能增大反应速率，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，只有增大压强对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而增大压强无此效果 7．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( ) A．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 B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是10~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 8．关于工业合成氨的叙述中，错误的是( ) A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行 B．温度越高越有利于工业合成氨 C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本 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 9．下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是( ) A．牛奶放在冰箱中冷藏 B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物 C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂 D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离 10．4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g) 是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是 A．使用催化剂可以加快反应速率 B．增大压强可以加快反应速率 C．达到平衡时，V(正)＝V(逆) D．增大O2的浓度可以使NH3全部转变为NO 11．关于合成氨工业的下列说法正确的是( ) A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低 B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来，氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D．合成氨工业采用10~30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 12．在硫酸工业中，在催化剂条件下使SO2氧化为SO3：2SO2(g)+ O2(g)2SO3 (g)  ΔH= -196.6kJ·mol-1。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。下列说法正确的是( ) 温度 平衡时SO2的转化率 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．该反应在任何条件下均能自发进行 B．实际生产中，最适宜的条件是温度450℃、压强10MPa C．使用催化剂可加快反应速率，提高SO3的平衡产率 D．为提高的转化率，应适当充入过量的空气 13．合成氨的反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，在一定条件下已达到平衡状态。 (1)此时___________相等， ______________________保持不变，而___________却仍在进行，因此化学平衡是___________平衡。 (2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移动，则正反应是___________反应，生成每摩尔氨的反应热是46.2 kJ，则该反应的热化学方程式为___________。 (3)合成氨时，选择500 ℃高温的目的是___________。 (4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变，而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，则上述平衡向___________移动；若在平衡体系中加入氦气，则上述平衡________________ ______移动。 14．氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用，合成氨工业在国民生产中有重要意义。以下是关于合成氨的有关问题，请回答： (1)若在一容积为2L的密闭容器中加入0.2 mol的N2和0.6 mol的H2，在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH＜0，若在5分钟时反应达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.2 mol。则平衡时c(N2)= 。平衡时H2的转化率为 %。平衡时NH3的体积分数是 。 (2)平衡后，若提高H2的转化率，可以采取的措施有 。(填写序号) A．加了催化剂 B．增大容器体积 C．降低反应体系的温度 D．加入一定量N2 (3)若在0.5 L的密闭容器中，一定量的氮气和氢气进行如下反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)  ΔH＜0，其化学平衡常数K与温度T的关系如表所示。请完成下列问题： T/℃ 200 300 400 K K1 K2 0.5 ①写出化学平衡常数K的表达式 。 ②试比较K1、K2的大小，K1 K2(填“＞”“＜”或“=”)； ③400℃时，反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数为 。当测得NH3、N2和H2物质的量分别为3 mol、2 mol和1 mol时，则该反应的v(N2正) v(N2逆)(填“＞”“＜”或“=”)。 (4)根据化学反应速率和化学平衡理论，联系合成氨的生产实际，你认为下列说法不正确的是 。(填写序号) A．化学反应速率理论可指导怎样在一定时间内快出产品 B．勒夏特列原理可指导怎样使用有限原料多出产品 C．催化剂的使用是提高产品产率的有效方法 D．正确利用化学反应速率和化学反应限度理论都可以提高化工生产的综合经济效益 15．工业上合成氨是在一定条件下进行反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，ΔH=-92.4kJ·mol-1，其部分工艺流程如图所示。 反应体系中各组分的部分性质如下表所示： 气体 氮气 氢气 氨 熔点/℃ -210.01 -259.23 -77.74 沸点/℃ -195.79 -252.77 -33.42 回答下列问题： (1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K= ；温度升高，K值 (填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)K值越大，表明___________(填序号)。 A．其他条件相同时N2的转化率越高 B．其他条件相同时NH3的产率越高 C．原料中N2的含量越高 D．化学反应速率越快 (3)对于合成氨反应而言，如图有关图像一定正确的是 (填字母)。 【能力提升】 16．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是(　　) A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大 B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量 C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2 D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同 17．SO2在400~600℃下的催化氧化：2SO2+O22SO3，已知此正反应放热。如果反应在密闭容器中进行，下列有关说法中错误的是( ) A．在上述条件下，SO2不可能完全转化为SO3 B．达到平衡时，SO2的浓度与SO3的浓度一定相等 C．使用催化剂是为了加快反应速率，提高生产效率 D．为了提高SO2的转化率，可适当提高O2的浓度 18．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是( ) A．硫酸工业中，为使黄铁矿充分燃烧，可将矿石粉碎 B．硝酸工业中，氨的氧化使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 C．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作 D．对于合成氨的反应，如果调控好反应条件，可使一种反应物的转化率达到100% 19．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O22SO3的说法中正确的是( ) A．只要选择适宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3 B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零 C．在达到平衡的体系中，充入由18O原子组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多 D．在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题 20．已知：2SO2(g)+ O2(g)= 2SO3(g) △H =-197.8kJ•mol—1。起始反应物为SO2和 O2(物质的量之比为2：1，且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是( ) 温度/K 压强/(105Pa) 1.01 5.07 10.1 25.3 50.7 673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9 723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6 773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0 A．一定压强下降低温度，SO2的转化率增大 B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等 C．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间 D．工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高 21．工业合成氨是人工固氮的一种重要方式，氨的合成实现工业化生产迄今已有100多年历史，合成氨技术是人类科学技术领域的重要突破。请回答： (1)下列有关获取原料气的说法正确的是___________。 A．可通过液化空气分离法得到氮气 B．可用煤、天然气与水蒸气反应制备水煤气，进而获取氢气 C．原料气需经净化处理以防催化剂中毒 D．电解水法获取氢气是一种较为廉价且高效的方法 (2)原料气中的杂质气体H2S可用过量氨水净化吸收，写出化学反应方程式___________。 (3)工业生产中氮气与氢气按物质的量之比为1：2.8进行投料，合成塔压强p恒定。若起始时氮气通入量为xmol，一段时间后测得氮气的平衡转化率为80%，用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数的KP=___________(用p表示，气体分压=总压ⅹ物质的量分数) (4)据统计，每年全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨，为循环使用CO2减少浪费，常见的方法是利用合成氨的产品NH3和副产品CO2合成尿素： ①2NH3(g)+CO2(g) NH2COONH4(l) ΔH1＝-100.5kJ·mol−1 Ea1 ②NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH2＝+27.6kJ·mol−1 Ea2 副反应：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3 已知活化能大小：Ea1＜＜Ea2 某科研小组模拟工业合成尿素生产，发现反应温度在140℃时生成尿素的反应速率反而比80℃小，可能原因是___________。 (5)工业合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，请分析可能原因___________。 A．氨易获得，成本较低 B．氨过剩可提高二氧化碳的转化率，加快合成速率 C．氨气可与体系内水结合，减少氨基甲酸铵水解，抑制副反应发生 D．氨结合水，促进反应②正向移动 22．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。工业合成氨生产示意图如图所示。 (1)下列有关合成氨工业的说法正确的是_________ A．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行 B．合成氨反应中，反应物的总键能小于产物的总键能 C．合成氨厂一般采用的压强为，因为该压强下铁触媒的活性最高 D．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 (2)循环利用的Y是氮气和氢气，目的是 。 (3)在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施有 (填编号)。 ①使用催化剂  ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量  ③及时分离产生的NH3 ④升高温度  ⑤恒温恒容，充入惰性气体使压强增大 (4)氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分值。 反应 大气固氮 N2(g)＋O2(g)2NO(g) 工业固氮 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 温度 27 2000 25 400 450 0.1 0.507 0.152 分析数据可知： ①在下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。 ②人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是 。 23．合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。 (1)反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的化学平衡常数表达式为 。 (2)请结合下列数据分析，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是 。 序号 化学反应 K(298K)的数值 ① N2(g) + O2(g) 2NO(g) 5×10-31 ② N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) 4.1×106 (3)对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。 温度/℃ 压强/MPa 氨的平衡含量 200 10 81.5% 550 10 8.25% ①该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。 ②其他条件不变时，温度升高氨的平衡含量减小的原因是 (填字母序号)。 A．温度升高，正反应速率减小，逆反应速率增大，平衡逆向移动 B．温度升高，浓度商(Q)变大，Q>K，平衡逆向移动 C．温度升高，活化分子数增多，反应速率加快 D．温度升高，K变小，平衡逆向移动 ③哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是 。 (4)图1表示500℃、60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中M点数据计算N2的平衡体积分数 ； (5)图2是合成氨反应平衡混合气中NH3的体积分数随温度或压强变化的曲线，图中L(L1、L2)、X分别代表温度或压强。其中X代表的是 (填“温度”或“压强”)；判断L1、L2的大小关系并说明理由 。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ ( 15 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第10讲 化学反应的调控 学习任务 预学1：合成氨反应的原理和数据分析预学2：合成氨反应的条件调控 预学3：调控化学反应需考虑的问题 ◆预学1 合成氨反应的原理和数据分析 1．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下： N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？填入下表。 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 提高 降低 提高 不变 2．下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)温度升高，氨的含量 降低 ；这与速率是 相矛盾 的； (2)压强增大，氨的含量 增大 ；这与速率是 相一致 的 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施可能不一致。 【典例1】对于可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0，下列说法中正确的是( ) A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率 D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，而逆反应速率减小 【答案】C 【解析】达到平衡后，充入N2，平衡向正反应方向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度不会减小；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小容器体积即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。 【对点练】将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( ) 改变条件 新平衡与原平衡比较 A 压缩体积 N2的浓度一定变小 B 升高温度 N2的转化率变小 C 充入一定量H2 H2的转化率不变，N2的转化率变大 D 使用适当催化剂 NH3的体积分数增大 【答案】B 【解析】该反应的正反应是气体体积减小的反应，依据勒夏特列原理可知，压缩体积，压强增大，平衡向正反应方向移动，但氮气的浓度仍然比原平衡大，A项不正确；正反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氮气的转化率降低，B项正确；充入一定量的氢气，平衡向正反应方向移动，氮气的转化率增大，而氢气的转化率降低，C项不正确；催化剂只能改变反应速率而不能改变平衡状态，D项不正确。 1.反应速率 2.反应转化率 ◆预学2 合成氨反应的条件调控 1．工业合成氨的适宜条件 改变 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择 增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡时混合物中NH3的产量 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用 1.3×107~3×107 Pa的压强 升高 温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨的温度要适宜，工业上一般采用500 ℃左右的温度(因该温度时，催化剂的活性最大) 使用催化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂 2．合成氨的工艺流程 3．流程分析 (1)原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 (2)压缩机加压：增大压强 (3)热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 (4)冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 (5)循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，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，以利于合成氨反应，提高经济效益。 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 (1)工业上合成氨不采用更高压强，原因在于压强越大，对设备的要求越高、成本越高。 (2)工业上合成氨不采用更高温度，原因在于；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，催化剂活性减弱甚至失活。 【典例2】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%，所以生产氨的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2是循环使用的，总体来说氨的产率很高 C．合成氨反应温度控制在400~500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨采用的压强是10~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 【答案】B 【解析】由于原料气可循环利用，生产氨的效率并不低，氨的产率很高，A项错误，B项正确；控制温度在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达到最大，C项错误；铁触媒的活性与压强关系不大，受温度影响很大，D项错误。 【对点练】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是合成氨生产流程示意图，下列说法不正确的是( ) A．“干燥净化”可以防止催化剂中毒 B．“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率 C．“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率 D．“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热 【答案】D 【解析】A项，合成氨反应的原料中含有能使催化剂中毒的杂质，所以“干燥净化”可以防止催化剂中毒，故A正确；B项，合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强，化学反应速率加快，平衡向正反应方向移动，原料的转化率增大，所以“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率，故B正确；C项，氨气易液化，冷却时氨气转化为液氨，生成物的浓度减小，平衡向正反应方向移动，原料的转化率增大，所以“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率，故C正确；D项，合成氨反应为放热反应，“铁触媒”在生产过程中可以通过反应放出的热量和热交换达到反应所需的温度，不需使用外加热源持续加热，故D错误；故选D。 合成氨的适宜条件 反应条件 压强 温度 催化剂 浓度 1.3×107~3×107Pa 500 ℃ 左右 铁触媒 使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去，及时补充N2和H2 ◆预学3 调控化学反应需考虑的问题 1．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) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 2．选择工业合成适宜条件的原则 (1)温度 ①所选温度兼顾反应速率快，产品含量高。 ②尽可能选择催化剂的最大温度。 (2)压强 ①所选压强对反应物转化率的影响变化幅度大。 ②压强不能无限大，防止增大设备成本和动力成本。 (3)催化剂 ①选用催化效率高的催化剂。 ②催化剂对反应有选择性，同一反应物选用不同的催化剂，产物可能不同。 A+BC A+BD ③某些物质能够使催化剂中毒，失去活性。 (4)浓度：原料尽可能循环利用 ①适当增大廉价物质的浓度，提高难获得原料的转化率。 ②必要时可以采用循环反应，以增大原料利用率。 (5)反应热的综合利用：一般采用热交换器。 (6)反应容器的选择：恒压容器有利于提高反应物的转化率。 3．化学反应的调控 (1)含义：通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 (2)调控的目的：促进有利的化学反应，抑制有害的化学反应。 (3)考虑实际因素：结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件；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，才能实施生产。 (4)控制的措施与效果 ①加快或减慢反应速率(改变温度、浓度、压强，使用催化剂等)。 ②提高或降低反应物的转化率(控制温度、浓度、压强等)。 ③减少甚至消除有害物质的生成。 ④控制副反应的发生。 (5)化工生产中控制反应条件的原则 在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本、安全操作、环境保护和实际可能性等。 【名师点评】【易错警示】【疑难点拨】 (1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性； (2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制； (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。 【典例3】化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是( ) A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入的空气越多越好 B．工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强 C．工业合成氨，考虑催化剂的活性选择400~500℃的反应温度 D．炼铁高炉的进风口设置在下端有利于燃料充分利用 【答案】A 【解析】A项，在实际生产中为了增大二氧化硫的转化率通入稍过量的空气，若空气通入量过多，不仅会增大能源消耗、还会增大动力消耗、对设备的要求也高，A错误；B项，工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强，若压强过大，不仅会增大能源消耗、还会增大动力消耗、对设备的要求也高，B正确；C项，工业合成氨，400~500℃时催化剂的活性最大、有利于提高反应速率、提高氨气产量，故选择400~500℃的反应温度，C正确；D项，炼铁高炉的进风口设置在下端、固体从设备顶部加入，则有助于固体和气体充分接触、有利于燃料充分利用，D正确；故选A。 【对点练】某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(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廉价易得，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】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。 化工生产中调控反应的一般思路 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)在反应N2+3H22NH3中，3v(H2)=2v(NH3)。( ) (2)合成氨反应中，5 s末v(N2)=0.5 mol·L-1·s-1时，v(NH3)=1 mol·L-1·s-1。( ) (3) 工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行。( ) (4)已达平衡的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，当增大N2的浓度时，平衡向正反应方向移动，N2的转化率一定升高。( ) (5)铁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。( ) (6)将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。( ) (7)升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。( ) (8)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。( ) (9)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。( ) (10)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保。( ) 【答案】(1)× (2) × (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)√ (9)× (10)× 【基础训练】 1．合成氨解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿和死亡问题，下列有关工业合成氨的说法错误的是( ) A．反应物是N2 和H2 B．过程属于生物固氮 C．反应属于可逆反应 D．反应条件是高温、高压、催化剂 【答案】B 【解析】A项，工业合成氨的原料是N2和H2  ，故A正确；B项，工业合成氨属于人工固氮，故B错误；C项，工业合成氨N2+3H22NH3是一个可逆反应，故C正确；D项，为了有利于合成氨，选择了500℃左右的高温，20MPa-50MPa的高压，同时使用铁触媒做催化剂，故D正确；故选B。 2．合成氨反应中催化剂的作用是( ) A．使逆反应不发生 B．使平衡向正反应方向移动 C．加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间 D．提高原料的转化率 【答案】C 【解析】使用催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不移动。 3．不符合工业合成氨生产实际的是 A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用 C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行 【答案】D 【解析】A项，为加快反应速率，合成氨生产中常用铁触媒作催化剂，A正确；B项，为提高原料利用率，合成氨生产中N2、H2循环使用，B正确；C项，NH3液化分离降低生成物浓度有利于平衡正向进行，C正确；D项，合成氨反应在常压下不能进行，D错误；故选D。 4．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是( ) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C．采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温 D．采用2×107～5×107 Pa的压强 【答案】B 【解析】把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，较低温度利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。 5．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是 A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C．700K左右比室温更有利于合成氨的反应 D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 【答案】B 【解析】A项，使用催化剂，能加快反应速率，但对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符合题意；B项，成氨反应是反应前后气体总物质的量减小的反应，加压可使平衡正向移动，有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；C项，合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700K左右是考虑催化剂的活性和加快反应速率，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；D项，循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。故选B。 6．在合成氨反应中使用催化剂和增大压强，下列叙述中正确的是( ) A．都能增大反应速率，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，只有增大压强对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而增大压强无此效果 【答案】C 【解析】对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，使用催化剂只能增大反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。增大压强既能增大反应速率，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。 7．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．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 B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是10~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 【答案】C 【解析】催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强可以加快反应速率，缩短达到平衡所用的时间，C项正确；催化剂的活性主要取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。 8．关于工业合成氨的叙述中，错误的是( ) A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行 B．温度越高越有利于工业合成氨 C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本 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】B 【解析】因为高压利于合成氨反应向正反应方向进行，所以在条件允许下可以采取尽量高的压强，现在一些发达国家已经采用1 000个大气压的高压合成氨工艺，A正确；从反应限度角度看，低温有利于氨的合成，但为了兼顾反应速率和催化剂的活性，采用了700 K左右的温度，B错误；合成氨反应是可逆反应，建立平衡后有较多的反应物没有转化，应该循环使用，C正确；反应体系中分离出氨气，相当于减小生成物浓度，有利于平衡向正反应方向移动，D正确。 9．下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是( ) A．牛奶放在冰箱中冷藏 B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物 C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂 D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离 【答案】D 【解析】A项，牛奶放在冰箱中冷藏，降低了温度，反应速率降低，A正确；B项，使用加酶洗衣粉洗涤衣物，相当于使用了催化剂，加快反应速率，B正确；C项，汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂是为了防止橡胶老化，延长寿命，降低了反应速率，C正确；D项，工业合成氨时，及时将氨气液化分离，是降低生成物浓度，使平衡正向进行，与速率无关，D错误；故选D。 10．4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g) 是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是 A．使用催化剂可以加快反应速率 B．增大压强可以加快反应速率 C．达到平衡时，V(正)＝V(逆) D．增大O2的浓度可以使NH3全部转变为NO 【答案】D 【解析】A项，催化剂可降低反应的活化能，增大活化分子百分数，可增大反应速率，故A正确；B项，增大压强，气体浓度增大，单位体积活化分子数目增多，反应速率增大，故B正确；C项，v(正)=v(逆)说明各物质的浓度、质量等不变，说明达到反应限度，为平衡状态，故C正确；D项，该反应为可逆反应，可逆反应不可能完全进行，转化率不可能达到100%，故D错误；故选D。 11．关于合成氨工业的下列说法正确的是( ) A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低 B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来，氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D．合成氨工业采用10~30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 【答案】B 【解析】A项，从合成塔出来的气体中，氨气一般仅占15%，但由于氮气和氢气的再循环，使得生产氨的工业效率也能达到相当高的水平，故A不选；B项，由A项可知B正确，故选B；C项，合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，是为使催化剂的活性达到最佳状态，故C不选；D项，合成氨工业采用10~30MPa，是因为再增大压强，平衡转化率不会提高太多，且增大压强对设备的要求更高，不能达到更好的经济效益，故D不选。故选B。 12．在硫酸工业中，在催化剂条件下使SO2氧化为SO3：2SO2(g)+ O2(g)2SO3 (g)  ΔH= -196.6kJ·mol-1。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。下列说法正确的是( ) 温度 平衡时SO2的转化率 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．该反应在任何条件下均能自发进行 B．实际生产中，最适宜的条件是温度450℃、压强10MPa C．使用催化剂可加快反应速率，提高SO3的平衡产率 D．为提高的转化率，应适当充入过量的空气 【答案】D 【解析】A项，反应2SO2 (g)+ O2(g)2SO3 (g)  ΔH= -196.6kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应，△S<0，△H <0，当△H-T△S<0时，反应能自发进行，则温度过高，该反应可能不能自发进行，故A错误；B项，由表格可知，450℃、压强10MPa时，二氧化硫的转化率较高，当没有测定其它条件时二氧化硫的转化率，不能确定实际生产中，最适宜的条件是温度450℃、压强10MPa，故B错误；C项，使用催化剂可加快反应速率，但平衡不移动，不能提高SO3的平衡产率，故C错误；D项，充入过量的空气，平衡正向移动，SO2的转化率增大，故D正确；故选D。 13．合成氨的反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，在一定条件下已达到平衡状态。 (1)此时___________相等， ______________________保持不变，而___________却仍在进行，因此化学平衡是___________平衡。 (2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移动，则正反应是___________反应，生成每摩尔氨的反应热是46.2 kJ，则该反应的热化学方程式为___________。 (3)合成氨时，选择500 ℃高温的目的是___________。 (4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变，而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，则上述平衡向___________移动；若在平衡体系中加入氦气，则上述平衡________________ ______移动。 【答案】(1)正、逆反应速率 各反应物和生成物的浓度 正、逆反应　动态 (2)放热 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1 (3)加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大 (4)正反应方向 不 【解析】(1)可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应速率相等，各反应物和生成物的浓度保持不变，而正、逆反应却仍在进行，因此化学平衡是动态平衡。(2)由温度对化学平衡的影响可知，降低温度使化学平衡向正反应方向移动，则正反应一定是放热反应。由题意知，生成2 mol氨的反应热是46.2 kJ×2，即92.4 kJ，则合成氨反应的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。(3)升高温度和加入催化剂都能加快反应速率，但是工业上用的催化剂在该温度时活性最大。(4)若保持反应容器的体积和反应温度不变，将平衡体系中的混合气体的浓度增大 1倍，其效果相当于增大体系的压强，根据压强对化学平衡的影响，可判断化学平衡应该向正反应方向移动。若在平衡体系中加入氦气，氦气不参与反应，由于反应容器的体积和反应温度都不变，氦气的加入只是增大了容器内总的压强，并未改变反应体系中各成分的浓度，因此氦气的加入对化学平衡没有影响，即化学平衡不移动。 14．氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用，合成氨工业在国民生产中有重要意义。以下是关于合成氨的有关问题，请回答： (1)若在一容积为2L的密闭容器中加入0.2 mol的N2和0.6 mol的H2，在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH＜0，若在5分钟时反应达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.2 mol。则平衡时c(N2)= 。平衡时H2的转化率为 %。平衡时NH3的体积分数是 。 (2)平衡后，若提高H2的转化率，可以采取的措施有 。(填写序号) A．加了催化剂 B．增大容器体积 C．降低反应体系的温度 D．加入一定量N2 (3)若在0.5 L的密闭容器中，一定量的氮气和氢气进行如下反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)  ΔH＜0，其化学平衡常数K与温度T的关系如表所示。请完成下列问题： T/℃ 200 300 400 K K1 K2 0.5 ①写出化学平衡常数K的表达式 。 ②试比较K1、K2的大小，K1 K2(填“＞”“＜”或“=”)； ③400℃时，反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数为 。当测得NH3、N2和H2物质的量分别为3 mol、2 mol和1 mol时，则该反应的v(N2正) v(N2逆)(填“＞”“＜”或“=”)。 (4)根据化学反应速率和化学平衡理论，联系合成氨的生产实际，你认为下列说法不正确的是 。(填写序号) A．化学反应速率理论可指导怎样在一定时间内快出产品 B．勒夏特列原理可指导怎样使用有限原料多出产品 C．催化剂的使用是提高产品产率的有效方法 D．正确利用化学反应速率和化学反应限度理论都可以提高化工生产的综合经济效益 【答案】(1) 0.05 mol•L-1 50 33.3%或 (2)CD (3) K= ＞ 2 ＞ (4)C 【解析】(1)反应达到平衡时n(NH3)=0.2 mol，根据物质反应转化关系可知反应消耗0.1 mol N2，由于反应开始时n(N2)=0.2 mol，所以平衡时n(N2)=0.2 mol-0.1 mol=0.1 mol，由于容器的容积是2 L，则平衡时N2的浓度为c(N2)==0.05 mol•L-1；根据反应方程式可知每反应产生0.2 mol NH3，反应消耗0.3 mol H2，反应开始时n(H2)=0.6 mol，所以H2的平衡转化率为；反应开始时n(N2)=0.2 mol，n(H2)=0.6 mol，反应达到平衡时n(NH3)=0.2 mol，根据物质反应转化关系可知反应消耗0.1 mol N2和0.3 mol H2，则平衡时n(N2)=0.1 mol，n(H2)=0.3 mol，气体总物质的量n(总)=0.1 mol+0.3 mol+0.2 mol=0.6 mol，所以NH3的体积分数为：或NH3的体积分数为：；(2)项，加了催化剂只能加快反应速率，缩短达到平衡所需时间，而不能使化学平衡发生移动，故H2的转化率不变，A不符合题意；B项，增大容器体积，导致体系的压强减小，化学平衡向气体体积扩大的逆反应方向移动，H2的转化率减小，B不符合题意；C项，降低反应体系的温度，化学平衡向放热的正反应方向移动，导致H2的转化率提高，C符合题意；D项，加入一定量N2，即增大反应物浓度，化学平衡正向移动，使更多H2发生反应，故H2的转化率提高，D符合题意；故选CD；(3)①化学平衡常数是可逆反应达到平衡状态时各种生成物浓度幂之积与各种反应物浓度幂之积的比，则该反应的化学平衡常数K的表达式为K=；②反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0的正反应是放热反应，化学平衡常数只与温度有关，升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，导致化学平衡常数减小。由于温度：200℃＜300℃，所以化学平衡常数K1＞K2；③N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在400℃时化学平衡常数K==0.5，而反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数为； 当测得NH3、N2和H2物质的量分别为3 mol、2 mol和1 mol时，由于容器的容积是0.5 L，则c(NH3)=6 mol/L，c(N2)=4 mol/L，c(H2)=2 mol/L，Qc=，化学反应未达到平衡状态，化学反应正向进行，故反应速率：v(N2正)＞v(N2逆)；(4)A项，化学反应速率越快，单位时间内生产的产品越多，化学反应速率理论可指导怎样在一定时间内快出产品，A正确；B项，勒夏特列原理即平衡移动原理，可指导怎样使用有限原料多出产品，B正确；C项，加了催化剂，平衡不移动，催化剂不能提高产品产率，C错误；D项，正确利用化学反应速率和化学反应限度理论都可以提高化工生产的综合经济效益，D正确；故选C。 15．工业上合成氨是在一定条件下进行反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，ΔH=-92.4kJ·mol-1，其部分工艺流程如图所示。 反应体系中各组分的部分性质如下表所示： 气体 氮气 氢气 氨 熔点/℃ -210.01 -259.23 -77.74 沸点/℃ -195.79 -252.77 -33.42 回答下列问题： (1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K= ；温度升高，K值 (填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)K值越大，表明___________(填序号)。 A．其他条件相同时N2的转化率越高 B．其他条件相同时NH3的产率越高 C．原料中N2的含量越高 D．化学反应速率越快 (3)对于合成氨反应而言，如图有关图像一定正确的是 (填字母)。 【答案】(1) 减小 (2)AB (3)ac 【解析】(1)平衡常数是反应达到平衡时，生成物浓度的化学计量数次幂的乘积与各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积的比值，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反应的化学平衡常数表达式K=。正反应放热，温度升高，平衡逆向移动，K值减小。(2)K值越大，表明反应进行的程度越大，所以其他条件相同时N2的转化率越高；其他条件相同时NH3的产率越高，故选AB。(3)a项，根据“先拐先平”，可知T2>T1，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)正反应放热，温度升高，平衡逆向移动，氨气的体积分数降低，故a正确；b项，反应达到平衡状态，体系中各物质的浓度不一定相等，故b错误；c项，催化剂能加快反应速率，不能使平衡移动，故c正确；故选ac。 【能力提升】 16．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是(　　) A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大 B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量 C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2 D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同 【答案】A 【解析】当氮气和氢气投料比为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。 17．SO2在400~600℃下的催化氧化：2SO2+O22SO3，已知此正反应放热。如果反应在密闭容器中进行，下列有关说法中错误的是( ) A．在上述条件下，SO2不可能完全转化为SO3 B．达到平衡时，SO2的浓度与SO3的浓度一定相等 C．使用催化剂是为了加快反应速率，提高生产效率 D．为了提高SO2的转化率，可适当提高O2的浓度 【答案】B 【解析】A项，可逆反应中任何一种物质都不可能完全转化，故A项正确；B项，达到平衡时，SO2和SO3的浓度不再改变，但不一定相等，故B项错误；C项，催化剂不能提高产率，但能加快反应速率、缩短生产周期、提高生产效率，故C项正确；D项，提高O2的浓度，平衡向右进行，SO2的转化率提高，故D项正确。故选B。 18．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是( ) A．硫酸工业中，为使黄铁矿充分燃烧，可将矿石粉碎 B．硝酸工业中，氨的氧化使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 C．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作 D．对于合成氨的反应，如果调控好反应条件，可使一种反应物的转化率达到100% 【答案】D 【解析】A项，硫酸工业中，将矿石粉碎可以增大反应物的接触面积，有利于黄铁矿的充分燃烧，故A正确；B项，硝酸工业中，氨的氧化使用催化剂，可以降低反应的活化能，增大反应速率，提高生产效率，故B正确；C项，合成氨工业中，分离出液氨的混合气体中含有的氮气和氢气采用循环操作，有利于提高氮气和氢气的利用率，故C正确；D项，合成氨反应为可逆反应，可逆反应不可能完全反应，所以调控反应条件不可能使反应物的转化率达到100%，故D错误；故选D。 19．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O22SO3的说法中正确的是( ) A．只要选择适宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3 B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零 C．在达到平衡的体系中，充入由18O原子组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多 D．在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题 【答案】D 【解析】该反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，A错；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O原子组成的O2，平衡正向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错。故选D。 20．已知：2SO2(g)+ O2(g)= 2SO3(g) △H =-197.8kJ•mol—1。起始反应物为SO2和 O2(物质的量之比为2：1，且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是( ) 温度/K 压强/(105Pa) 1.01 5.07 10.1 25.3 50.7 673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9 723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6 773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0 A．一定压强下降低温度，SO2的转化率增大 B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等 C．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间 D．工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高 【答案】B 【解析】A项，由表格数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，一定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO2的转化率增大，A正确；B项，由于在不同温度、压强下，化学反应速率不一定相等，故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等，B错误；C项，催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短到达平衡所花的时间，C正确；D项，由图中数据可知，不同温度下，1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%，97.5％，93.5％，已经相当高了，且加压后转化率升高并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。故选B。 21．工业合成氨是人工固氮的一种重要方式，氨的合成实现工业化生产迄今已有100多年历史，合成氨技术是人类科学技术领域的重要突破。请回答： (1)下列有关获取原料气的说法正确的是___________。 A．可通过液化空气分离法得到氮气 B．可用煤、天然气与水蒸气反应制备水煤气，进而获取氢气 C．原料气需经净化处理以防催化剂中毒 D．电解水法获取氢气是一种较为廉价且高效的方法 (2)原料气中的杂质气体H2S可用过量氨水净化吸收，写出化学反应方程式___________。 (3)工业生产中氮气与氢气按物质的量之比为1：2.8进行投料，合成塔压强p恒定。若起始时氮气通入量为xmol，一段时间后测得氮气的平衡转化率为80%，用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数的KP=___________(用p表示，气体分压=总压ⅹ物质的量分数) (4)据统计，每年全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨，为循环使用CO2减少浪费，常见的方法是利用合成氨的产品NH3和副产品CO2合成尿素： ①2NH3(g)+CO2(g) NH2COONH4(l) ΔH1＝-100.5kJ·mol−1 Ea1 ②NH2COONH4(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH2＝+27.6kJ·mol−1 Ea2 副反应：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3 已知活化能大小：Ea1＜＜Ea2 某科研小组模拟工业合成尿素生产，发现反应温度在140℃时生成尿素的反应速率反而比80℃小，可能原因是___________。 (5)工业合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，请分析可能原因___________。 A．氨易获得，成本较低 B．氨过剩可提高二氧化碳的转化率，加快合成速率 C．氨气可与体系内水结合，减少氨基甲酸铵水解，抑制副反应发生 D．氨结合水，促进反应②正向移动 【答案】(1)ABC (2)H2S+2NH3•H2O=(NH4)2S+2H2O (3) (4)反应①活化能远小于反应②，反应①很快达到平衡，升高温度反应①逆向移动，氨基甲酸铵浓度减小，导致合成尿素速率减小，(若答：浓度效应大于温度效应；氨基甲酸铵分解也给分；其他答案合理也可) (5)BCD 【解析】(1)A氮气的沸点低，故可以通过液化空气分离法得到氮气，故A对；B煤可以和水反应生成水煤气，故B对；C原料气需经净化处理以防催化剂中毒，故C对；D电解水需要消耗过多能量，故不是廉价高效的方法，故D错；故选ABC；(2)H2S与过量氨水反应的化学方程式为H2S+2NH3•H2O=(NH4)2S+2H2O；(3) ；(4)反应①活化能远小于反应②，反应①很快达到平衡，升高温度反应①逆向移动，氨基甲酸铵浓度减小，导致合成尿素速率减小，(若答：浓度效应大于温度效应；氨基甲酸铵分解也给分；其他答案合理也可)；(5)A氨不容易获得，错；B根据反应①，氨过量，可以提高二氧化碳的转化率，浓度增大也能加快反应速率，对；C氨气容易与水反应且易溶于水，较少副反应发生，对；D氨结合水以后，可以促进反应②正向移动，对；故选BCD。 22．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。工业合成氨生产示意图如图所示。 (1)下列有关合成氨工业的说法正确的是_________ A．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行 B．合成氨反应中，反应物的总键能小于产物的总键能 C．合成氨厂一般采用的压强为，因为该压强下铁触媒的活性最高 D．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 (2)循环利用的Y是氮气和氢气，目的是 。 (3)在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施有 (填编号)。 ①使用催化剂  ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量  ③及时分离产生的NH3 ④升高温度  ⑤恒温恒容，充入惰性气体使压强增大 (4)氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分值。 反应 大气固氮 N2(g)＋O2(g)2NO(g) 工业固氮 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 温度 27 2000 25 400 450 0.1 0.507 0.152 分析数据可知： ①在下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。 ②人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是 。 【答案】(1)AB (2)提高氮气和氢气转化率 (3)② (4) ＜ 大气固氮为吸热反应，温度高达2000℃时，K值仍然很小，正向进行的程度很小，转化率很低，不适合大规模生产 【解析】(1)A项，根据ΔG=ΔH-TΔS＜0时反应自发进行，该反应ΔH＜0，ΔS＜0，则在低温或常温时自发进行，故A正确；B项，合成氨为放热反应，说明反应物断键吸收能量小于产物成键放出能量，故B正确；C项，合成氨厂一般采用的压强为10MPa ~30MPa，因为高压利于氨的合成，且能提高反应速率，与催化剂活性无关，故C错误；D项，N2的量越多，H2的转化率越大，当氢气转化至一定程度，多余的氮气对反应无促进作用，故D错误；故选AB；(2)合成氨的反应为可逆反应，氮气和氢气不能完全转化，循环使用可提高氮气和氢气转化率；(3)①使用催化剂，只能提高反应速率，不能提高产率；  ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量，反应物浓度增大，提高反应速率，压强增大，提高产率；③及时分离产生的NH3，可提高反应物转化率，但不能提升反应速率；④该反应为放热反应，升高温度，可提高反应速率，但平衡逆向移动，不能提高产率；⑤恒温恒容，充入惰性气体Ar使压强增大，反应物浓度不变，速率不变；所以要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施②；(4)①在下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时浓度商，说明平衡逆向移动，所以v正＜v逆；②根据表中数据可知，温度升高到2000℃，K=0.1，转化率较低，不适合大规模生产。 23．合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。 (1)反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的化学平衡常数表达式为 。 (2)请结合下列数据分析，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是 。 序号 化学反应 K(298K)的数值 ① N2(g) + O2(g) 2NO(g) 5×10-31 ② N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) 4.1×106 (3)对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。 温度/℃ 压强/MPa 氨的平衡含量 200 10 81.5% 550 10 8.25% ①该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。 ②其他条件不变时，温度升高氨的平衡含量减小的原因是 (填字母序号)。 A．温度升高，正反应速率减小，逆反应速率增大，平衡逆向移动 B．温度升高，浓度商(Q)变大，Q>K，平衡逆向移动 C．温度升高，活化分子数增多，反应速率加快 D．温度升高，K变小，平衡逆向移动 ③哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是 。 (4)图1表示500℃、60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中M点数据计算N2的平衡体积分数 ； (5)图2是合成氨反应平衡混合气中NH3的体积分数随温度或压强变化的曲线，图中L(L1、L2)、X分别代表温度或压强。其中X代表的是 (填“温度”或“压强”)；判断L1、L2的大小关系并说明理由 。 【答案】 (1)K= (2)氮气与氢气反应的限度(或化学平衡常数)远大于氮气与氧气反应的限度 (3)①放热 ②d ③提高合成氨反应的化学反应速率 (4)8% 压强 (5)L1<L2 合成氨反应为放热反应，压强相同时，升高温度，N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)， 平衡逆向移动，NH3的体积分数降低。 【解析】(1)平衡常数指平衡时生成物浓度幂次方乘积比上反应物浓度幂次方乘积，故该反应平衡常数表达式为K=；(2)平衡常数越大，说明反应物转化率越高，N2与H2反应的平衡常数远大于N2与O2反应的平衡常数，所以与H2反应时，N2转化率更高，故此处填：氮气与氢气反应的限度(或化学平衡常数)远大于氮气与氧气反应的限度；(3)①由数据知，温度升高，NH3的平衡含量降低，说明平衡逆向移动，故逆向为吸热反应，则正反应为放热反应，故此处填“放热”；②a项，温度升高，正逆反应速率都增大，a错误；b项，温度升高瞬间，容器体积不变，气体浓度不变，故Q不变，但K减小，故平衡逆向移动，b错误；c正确，但未解释氨平衡含量减小的原因，c不符合题意；d项，温度升高，平衡逆向移动，K减小，导致氨平衡含量减小，d符合题意；故选d；③高温不利于平衡正向移动，故哈伯选择550℃不是考虑平衡移动的原因，而是为了增强催化剂的活性，加快反应速率，故此处填提高合成氨反应的化学反应速率；(4)M点对应H2、N2投料比为4，假设H2为4 mol，N2为1mol，平衡时N2转化x mol，列三段式如下： 平衡时气体总物质的量=(1-x+4-3x+2x) mol=(5-2x) mol，则NH3的体积分数=，解得x=，则N2的体积分数=；(5)若X代表温度，温度升高，平衡逆向移动，NH3体积分数减小，与图示不符，故X代表压强，L代表温度；合成氨反应为放热反应，压强相同时，升高温度，N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) 平衡逆向移动，NH3的体积分数降低，故L2＞L1。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ ( 6 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$