第四节 化学反应的调控（同步讲义）化学人教版2019选择性必修1

教材知识解读·讲透重点难点·方法能力构建·同步分层测评 第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 教习目标 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 重点和难点 重点:应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。 难点:学会应用化学反应原理选择化工生产条件。 ◆知识点一 合成氨反应的原理分析 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）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 （2）可逆性：反应为可逆反应。 （3）体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是放热反应。 2．原理分析 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 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 3.数据分析 根据课本表2－2（P47）在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。 ◆知识点二 工业合成氨反应的适宜条件 1．问题讨论 （1）压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 （2）温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 （3）催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 （4）浓度 ①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。 ②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；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3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 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 3.合成氨的工艺流程 即学即练 1.在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ 【答案】C 【解析】根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) 2．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析不正确的是 A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 【答案】B 【解析】A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。 ◆知识点三 选择工业合成适宜条件的原则 1.考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 2.考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 3.选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。 4.选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 一、合成氨反应的图像分析 1.N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH <0 ，平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系如下图所示： 结论：压强越大，氨的含量越高；温度越高，氨的含量越低。 2.速率-时间图像分析 下图为合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH <0的速率随时间变化的曲线图： 图像分析： （1）t0时，v正、v逆均不为零,说明反应从两个方向同时开始，由于v正＞v逆，所以反应向正反应方向进行； （2）t1时，增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动； （3）t2时，减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动； （4）t3时，增大压强，平衡向正反应方向移动； （5）t4时，减小压强，平衡向逆反应方向移动； （6）t5时，升高温度，平衡向逆反应方向移动； （7）t6时，降低温度，平衡向正反应方向移动； （8）t7时，增大N2、H2的浓度，减小NH3的浓度，平衡向正反应方向移动； （9）t8时，加入催化剂，平衡不移动。 解题技巧—反应达到平衡后，改变条件： （1）v正＞v逆，平衡正向移动；v正＝v逆，平衡不移动；v正＜v逆，平衡逆向移动。 （2）只改变反应物或生成物浓度时，有一条线连接原曲线。 （3）改变温度，曲线不再连续。 （4）改变压强，若反应前后均有气体且气体的物质的量不相等，则v正、v逆发生变化，曲线不再连续；若反应前后气体的物质的量相等，则v正＝v逆，曲线也不再连续。 实践应用 1.某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是(　　) A．t2时加入催化剂 B．t3时降低了温度 C．t5时增大了压强 D．t4～t5时间内转化率一定最低 【答案】A 【解析】合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。 2.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．c点处反应达到平衡 B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同 C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大 D．a点的正反应速率比b点的小 【答案】C 【解析】c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；773 K>673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。 二、工业生产中选择适宜生产条件的思路 选取适宜的化工生产条件时,要运用反应速率和化学平衡移动的相关知识,同时考虑化工生产中的动力、材料及设备等因素的影响,综合选取适宜的生产条件。具体分析如下: 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制 实践应用 1.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 【答案】C 【解析】增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。 6．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Cu­Zn­Fe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 【答案】B 【解析】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。 考点一 合成氨的反应原理及适宜条件选择 【例1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．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 B．合成氨厂一般采用的压强为10MPa～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 C．增大压强，正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大 D．的量越多，的转化率越大，因此，充入的越多越有利于的合成 【答案】C 【解析】A．工业合成氨是放热反应，低温有利于反应正向移动，反应温度控制在400～500℃，是为了兼顾速率和平衡，而且此温度下催化剂活性最高，故A错误；B．工业合成氨的催化剂铁触媒的活性受温度影响比较大，400～500℃活性最高，故B错误；C．工业合成氨，增大压强，反应物浓度和生成物浓度都增大，但反应物浓度增大的多，所以正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大，故C正确；D．N2的量越多，H2的转化率越大，但加入过多的氮气，未反应的氮气会带走较多的热量，反而不利于氨气的合成，故D错误；故选C。 解题要点 合成氨反应的适宜条件 在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合速率与平衡两方面的措施，得出合成氨的适宜条件： 1.浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用。 2.温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，400～500 ℃左右为宜，此温度也是催化剂活性温度范围。 3.压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，压强增大，有利于氨的合成，但对设备要求也就很高，所需动力也越大，应选择适当压强，即10 MPa～30 MPa。 4.催化剂：选用铁触媒，能加快反应速率，缩短达到平衡所需时间。 【变式1-1】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，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 【解析】②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。 【变式1-2】一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率(　　) A．a中大 B．b中大 C．a、b中一样大 D．无法判断 【答案】A 【解析】由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。 考点二 化工生产中反应条件的控制 【例2】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．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．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．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．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。 解题要点 1.从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 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 无 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 【变式2-1】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。有关反应的说法中不正确的是 A．实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B．实际生产中，为了提高反应速率，压强越高越好 C．在生产中，通入过量空气的目的是提高的转化率 D．实际生产中，选定400~500℃作为操作温度的主要原因是催化剂的活性最高 【答案】B 【解析】A．二氧化硫和氧气的反应为可逆反应，SO2和O2不能反应完，因此SO2和O2需再循环利用以提高原料利用率，A正确；B．压强过大，设备可能无法承受太大的压强，适当增大压强可提高反应速率和转化率，B错误；C．通入过量的空气，则反应平衡正向移动，SO2的转化率提高，C正确；D．实际生产中，温度为400-500℃时，催化剂的活性最高，因此400-500℃作为操作温度，D正确；故答案选B。 【变式2-2】工业上可在高纯氨气下球磨氢化锂以合成高纯度的储氢材料氨基锂，原理可表示为： LiH(s) + NH3(g)= LiNH2(s) + H2(g)。如图表示在不同氨气分压和不同球磨时间下目标产物LiNH2的相对纯度变化曲线。考虑实验安全(氨气压力要小)以及目标产物LiNH2的相对纯度要得到保证(接近98%)，选择合成的最佳条件为 A．0.2MPa，1.0h B．0.3MPa，2.0 h C．0.4 MPa，2.0 h D．0.5MPa， 1.5 h 【答案】B 【解析】由图可知压强0.2MPa时目标产物LiNH2的相对纯度最高96%，不满足接近98%；压强0.3MPa、0.4 MPa、0.5MPa条件下达到98%的相对纯度所需球磨时间均在2h左右，但压强越大对设备的要求越高，因此选压强0.3MPa更合理。故选：B。 基础达标 1.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中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700 K左右的高温而不是900 K的高温 D．采用1×107～3×107 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，相对较低温度(700 K)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的进行，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，与平衡移动无关。 2.化工生产中反应速率影响工厂的效益。下列操作不能提高工业合成氨速率的是 A．适当升温 B．适当加压 C．选择合适催化剂 D．加快通过催化剂的气流速度 【答案】D 【解析】A．合适温度范围内适当升温可以加快反应速率，故A正确； B．适当加压可以加快反应速率，故B正确； C．选择合适催化剂可以加快反应速率，故C正确； D．加快通过催化剂的气流速度，使气体接触催化剂的时间变短，不能提高反应速率，故D错误； 故答案为：D。 3.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中，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，无需考虑设备、条件 【答案】B 【解析】合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择10～30 MPa，D项错误。 4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．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 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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，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，只能缩短反应达到平衡所需的时间，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；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。 5.合成氨反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)       △H=-92.4kJ·mol-1。下列说法正确的是 A．合成氨反应在任何温度下都能自发 B．1molN2与过量H2充分反应放热92.4kJ C．合成氨实际生产中选择高压和低温 D．将氨液化分离，可促进平衡正移及循环利用氮气和氢气 【答案】D 【解析】A．合成氨时放热且熵减的反应，根据∆G=∆H-T∆S＜0能自发可知，该反应低温下能自发，A错误； B．该反应为可逆反应，不能完全进行，因此1molN2与过量H2充分反应放热小于92.4kJ，B错误； C．为了加快反应速率，实际生产中选择高压(10-20MPa)和高温(400℃-500℃)，C错误； D．氨气易液化，液化分离后生成物减少，平衡正向移动，没有液化的H2和N2可以继续放入反应器中反应，循环利用，D正确； 故选D。 6.化学反应广泛联系生活、生产及研究领域。下列叙述与化学反应调控无关的是 A．油锅起火，盖上锅盖灭火 B．生产糖果，加入食用色素 C．鲜牛奶冷藏，冷链运输 D．工业合成氨，研发新型催化剂 【答案】B 【解析】A．油锅起火，盖上锅盖灭火，是隔绝空气灭火，与化学反应调控有关，A项正确；B．生产糖果，加入食用色素，与化学反应调控无关，B项错误；C．鲜牛奶冷藏，冷链运输，是降低温度，减缓反应速率，与化学反应调控有关，C项正确；D．工业合成氨，研发新型催化剂，加快反应速率，与化学反应调控有关，D项正确；答案选B。 7.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】A．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； B．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；C．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 ；D．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。 8.在硫酸工业生产中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g) +O2(g)2SO3(g) ΔH= -196.6kJ/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 温度/℃ 平衡时的转化率 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 从化学反应速率、化学平衡及生产成本、产量等角度综合分析，在实际生产中有关该反应适宜条件选择的说法正确的是 A．SO2的转化率与温度成反比，故采用尽可能低的温度 B．该反应在450℃左右、1MPa (常压)下进行较为合适 C．SO2的转化率与压强成正比，故采用尽可能高的压强 D．为了提高的SO2的转化率，应使用合适的催化剂 【答案】B 【解析】A．由表格数据可知，SO2的转化率与温度成反比，降低温度平衡向正反应方向移动，但反应速率减小，不利于提高SO2的产量，故A错误；B．在1MPa、450℃时SO3的平衡转化率（97.5%）就已经很高了，若继续增大压强，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故B正确；C．由表格数据可知，SO2的转化率与压强成正比，但采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故C错误；D．催化剂不能改变SO2的平衡转化率，故D错误；故选B。 9.在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　) A．改变条件后速率—时间图像如图 B．此过程中Q>K C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的转化率增大 【答案】D 【解析】分离出NH3，Q<K，v正>v逆，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，使体系中NH3的含量减小。 10.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，故答案为：C。 综合应用 11.合成氨工业中，原料气(、及少量CO、的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为：  。以下说法错误的是 A．原料气中的体积分数越大，平衡混合物中氨的体积分数也越大 B．杂质有可能引发催化剂中毒 C．使用催化剂可降低反应的活化能，大大提高生产效率 D．铜氨液再生的适宜条件是高温低压 【答案】A 【解析】A．工业合成氨的反应为，所以适当增大氢气的量，会使平衡向正向移动，从而使混合物中氨的体积分数变大，但不是原料气中的体积分数越大平衡混合物中氨的体积分数越大，无杂质时，理论上当投料比时，氨的体积分数最大，A错误；B．CO可能会引发催化剂中毒，导致活性下降，B正确；C．使用催化剂可降低反应的活化能，加快反应速率，从而大大提高生产效率，C正确；D．根据铜氨液与CO、氨气的反应可知，要使铜氨液再生，需使平衡向逆反应方向移动，升高温度或减小气体压强均可使平衡逆移，满足要求，D正确；故选A。 12.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】A．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；B．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；C．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； D．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。 13.相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是(　　) A．化学反应速率：乙>甲 B．平衡后N2的浓度：乙>甲 C．H2的平衡转化率：乙>甲 D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙>甲 【答案】D 【解析】因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确；假设开始时乙容器的体积是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)， 则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项正确、D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。 14.氨的催化氧化是工业制硝酸的基础，其反应机理如图1，在1L密闭容器中充入和，测得有关产物的物质的量与温度的关系如图2。 下列说法错误的是 A．加入Pt-Rh合金的目的是提高反应的速率 B．氨的催化氧化最佳温度应控制在840℃左右 C．520℃时，的转化率为40％ D．840℃以上，可能发生了反应： 【答案】C 【解析】A．催化剂可加快反应速率，不影响平衡移动，则Pt-Rh合金的作用是提高反应速率，故A正确；B．由图可知，840℃时NO的物质的量最大，则氨的催化氧化最佳温度应控制在840℃左右，故B正确；C．520℃时NO、N2的物质的量均为0.2mol，由N原子守恒可知，的转化率为，故C错误；D．840℃以上NO的物质的量减小，N2的物质的量增加，则可能发生反应：，故D正确；故答案为C。 15.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 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；答案选B。 16.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）在容积为2L的恒温密闭容器中加入0.1mol的N2和0.3mol的H2在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0，在5分钟时反应恰好达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.1mol。这段时间内用H2表示的反应速率为v(H2)=____。 （2）平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有____。(答一条即可) （3）下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态的依据是____(填序号字母)。 A．容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2 B．v(H2)正=3v(N2)逆 C．混合气体的密度保持不变 D．容器内压强保持不变 （4）已知合成氨反应N2+3H2⇌2NH3在400℃时的平衡常数K=0.5(mol/L)-2。在400℃时，测得某时刻c(N2)=2mol/L、c(H2)=2mol/L、c(NH3)=3mol/L，此时刻该反应的v正____v逆(填“>”“=”或“<”)。 （5）如图表示在恒压密闭容器中，不同温度下，达到平衡时NH3的体积百分数与投料比[]的关系。 由此判断KA、KB、KC的大小关系为：____。 【答案】（1）0.015mol·L-1·min-1 （2）加压；通入氮气或氢气 （3）BD （4）< （5）KA=KB>KC 【解析】（1）这段时间内用NH3表示的反应速率v(NH3)==0.01mol/(L∙min)，同一反应用不同物质表示的化学反应速率之比等于化学计量数之比，则v(H2)= v(NH3)= 0.015mol/(L∙min)；答案为：0.015mol/(L∙min)。 （2）合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)   ∆H<0，若要提高反应速率，可采取的措施有：增大反应物N2或H2的浓度、增大压强、升高温度、使用合适的催化剂；该反应的正反应是气体分子数减小的放热反应，若要增大NH3的产率，可采取的措施有：增大反应物N2或H2的浓度、增大压强、降低温度；故平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有：加压、通入N2或H2；答案为：加压；通入氮气或氢气。 （3）A．达到平衡时各组分的浓度保持不变，但不一定等于化学计量数之比，故容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2时反应不一定达到平衡状态，A不选； B．v(H2)正=3v(N2)逆时正、逆反应速率相等，是反应达到平衡状态的本质标志，B选； C．合成氨的反应中所有物质都为气态，容器内气体的总质量始终不变，容器的容积始终不变，混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡状态，C不选； D．该反应的正反应是气体分子数减小的反应，建立平衡的过程中气体分子物质的量变化，容器内压强变化，故容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，D选； 答案选BD。 （4）此时刻Qc===0.5625(mol/L)-2> K=0.5(mol/L)-2，反应逆向进行，故此时刻该反应的v正<v逆；答案为：<。 （5）影响化学平衡常数的外界因素为温度，A、B两点所处温度相同，故KA=KB；根据图像可知，相同时，平衡时T2条件下NH3%>T1条件下NH3%，该反应的正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，NH3%减小，化学平衡常数K减小，故T2<T1、K（T2）>K（T1）；故KA、KB、KC的大小关系为KA=KB>KC；答案为：KA=KB>KC。 拓展培优 17.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的密闭容器中投入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强及温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是 A．上述正反应为放热反应 B．在4 MPa、1 200 K时，图中X点v(H2)正＜v(H2)逆 C．在5 MPa、800 K时，该反应的平衡常数为 D．工业上维持6 MPa、1 000 K而不采用10 MPa、1000 K，主要是因为前者碳的转化率高 【答案】C 【解析】A．升高温度，碳的平衡转化率增大，则平衡正向移动，上述正反应为吸热反应，A不正确；B．在4 MPa、1 200 K时，图中X点未达平衡，碳的转化率应不断升高，直至达到平衡，所以v(H2)正＞v(H2)逆，B不正确；C．在5 MPa、800 K时，碳的平衡转化率为50%，则平衡时H2的物质的量为amol，CH4的物质的量为0.5amol，该反应的平衡常数为=，C正确；D．从图中可以看出，从6 MPa、1 000 K到10 MPa、1000 K，碳的平衡转化率增大，但幅度不大，而对消耗的动力增加、对设备的要求提高，经济上不合算，所以工业上维持6 MPa、1 000 K而不采用10 MPa、1000 K，D不正确；故选C。 18.开发CO2催化加氢可合成二甲醚。其主要反应为： ① CO2(g)+ 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)  ΔH1 =﹣49.01 kJ·mol−1 ② 2CH3OH(g)CH3OCH3(g) + H2O(g)  ΔH2 =﹣24.52 kJ·mol−1 合成二甲醚时还会发生副反应： ③ CO2(g)+ H2(g)CO(g) + H2O(g)  ΔH3 = + 41.2 kJ·mol−1 其他条件相同时，反应温度对CO2平衡总转化率及反应2.5小时的CO2实际总转化率影响如图1所示；反应温度对二甲醚的平衡选择性及反应2.5小时的二甲醚实际选择性影响如图2所示。(已知：CH3OCH3的选择性=×100％)。 下列说法正确的是 A．不改变反应时间和温度，增大压强或增大CO2与H2的投料比都能进一步提高CO2实际总转化率和二甲醚实际选择性 B．CO2催化加氢合成二甲醚的最佳温度为240℃左右 C．温度高于290℃，CO2平衡总转化率随温度升高而上升的原因为反应①进行程度大于反应③ D．一定温度下，加入多孔CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2的转化率 【答案】B 【解析】A．增大压强，反应①化学平衡正向移动，反应③化学平衡不移动，CO2实际总转化率和二甲醚实际选择性都提高，但是增大CO2和H2的投料比，CO2的实际总转化率降低，A错误；B．从图2中可知，240℃时二甲醚实际选择性最大，CO2催化加氢合成二甲醚的最佳温度为240℃左右，B正确；C．反应①为放热反应，反应③为吸热反应，升高温度反应③平衡正向移动，反应①平衡逆向移动，温度高于290℃，CO2平衡总转化率随温度升高而上升原因为反应③进行程度大于反应①，C错误；D．使用高效催化剂，能加快反应速率但是不能提高平衡时氢气的转化率，D错误；故答案选B。 19.CO常用于工业冶炼金属，如图是在不同温度下CO还原四种金属氧化物达平衡后气体中lg[c(CO)/c(CO2)]与温度(T)的关系曲线图。下列说法正确的是    A．工业上可以通过增高反应装置来延长矿石和CO接触的时间，减少尾气中CO的含量 B．CO适用于高温冶炼金属铬(Cr) C．工业冶炼金属铜(Cu)时较低的温度有利于提高CO的利用率 D．CO还原PbO2的反应ΔH>0 【答案】C 【解析】A．增高炉的高度，增大CO与矿石的接触，不能影响平衡移动，CO的利用率不变，A错误；B．由图像可知用CO工业冶炼金属铬时，lg[c(CO)/c(CO2)]一直很高，说明CO转化率很低，且高温耗能多，故CO不适合用于冶炼金属铬，B错误；C．由图像可知还原氧化铜或氧化铅时，温度越高，lg[c(CO)/c(CO2)]越高，说明CO转化率越低，平衡逆向移动，则降温平衡正向移动，低温有利于提高CO利用率，C正确；D．由图像可知还原氧化铜或氧化铅时，温度越高，lg[c(CO)/c(CO2)]越高，说明CO转化率越低，平衡逆向移动，则逆反应是吸热反应，CO还原PbO2的反应ΔH＜0，D错误；故选C。 20.某研究性学习小组研究了汽车尾气中的NO与CO的反应和某工业废气中的NO2与SO2的反应。回答下列问题： （1）一定温度下，向某容积为1 L的密闭容器中通入a mol NO、b mol CO，控制一定的条件使其发生反应：2NO(g)＋2CO(g) ⇌N2(g)＋2CO2(g)　ΔH<0。测得NO的平衡转化率与温度、投料比X(X＝)的关系如图甲所示。 则T1________(填“>”或“<”)T2；若X1＝0.8、a＝2，反应开始至达到平衡(对应A点)所用的时间是2 min，则反应发生的2 min内N2的平均反应速率v(N2)＝________，A点对应的平衡常数K＝________(保留3位有效数字)。 （2）在固定体积的密闭容器中发生反应： NO2(g)＋SO2(g) ⇌SO3(g)＋NO(g)　ΔH＝－41.8 kJ·mol－1 使用某种催化剂，改变的值进行多组实验(各组实验的温度可能相同，也可能不同)，测定NO2的平衡转化率。部分实验结果如图乙所示。 ①如果要将图乙中C点的平衡状态改变为B点的平衡状态，应采取的措施是______________。 ②若A点对应实验中，SO2的起始浓度为c0 mol·L－1，经过t min达到平衡状态，该时段NO2的平均反应速率v(NO2)＝________mol·L－1·min－1。 ③若图乙中C、D两点对应的实验温度分别为TC和TD，通过计算判断TC________(填“>”“＝”或“<”)TD。 【答案】（1）>　0.4 mol·L－1·min－1　15.8 （2）①降低温度　②　③＝ 【解析】（1）正反应是放热反应，其他条件不变，温度升高平衡逆向移动，NO的平衡转化率降低，结合题图甲可知T1>T2。X1＝0.8、a＝2，根据X＝，得b＝2.5。 　　　　 2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g) 起始/mol·L－1 2 2.5 0 0 转化/mol·L－1 2×80% 1.6 0.8 1.6 平衡/mol·L－1 0.4 0.9 0.8 1.6 v(N2)＝＝0.4 mol·L－1·min－1。 K＝≈15.8。（2）①如果将图乙中C点的平衡状态改变为B点的平衡状态，NO2的平衡转化率增大，可以通过降低温度使平衡正向移动，从而使NO2的平衡转化率增大。②A点对应的NO2的平衡转化率为50%，＝0.4，SO2的起始浓度为c0 mol·L－1，则NO2的起始浓度为0.4c0 mol·L－1，转化的二氧化氮浓度为0.4c0 mol·L－1×50%＝0.2c0 mol·L－1，该时段NO2的平均反应速率v(NO2)＝＝ mol·L－1·min－1。③C点时＝1.0，设SO2的起始浓度为c1 mol·L－1，则NO2的起始浓度c(NO2)＝c1 mol·L－1，C点对应的二氧化氮的平衡转化率为50%，则平衡时c(NO2)＝c(SO2)＝c(SO3)＝c(NO)＝0.5c1 mol·L－1，平衡常数KC＝＝1；同理，D点对应的二氧化氮的平衡转化率为40%，＝1.5，设SO2的起始浓度为c2 mol·L－1，则NO2的起始浓度c(NO2)＝1.5c2 mol·L－1，则平衡时c(NO2)＝0.9c2 mol·L－1，c(SO2)＝0.4c2 mol·L－1，c(SO3)＝c(NO)＝0.6c2 mol·L－1，平衡常数KD＝1，平衡常数相同说明反应温度相同，即TC＝TD。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 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1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$ 教材知识解读·讲透重点难点·方法能力构建·同步分层测评 第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 教习目标 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 重点和难点 重点:应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。 难点:学会应用化学反应原理选择化工生产条件。 ◆知识点一 合成氨反应的原理分析 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）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 （2）可逆性：反应为可逆反应。 （3）体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是放热反应。 2．原理分析 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 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 3.数据分析 根据课本表2－2（P47）在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。 ◆知识点二 工业合成氨反应的适宜条件 1．问题讨论 （1）压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 （2）温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 （3）催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 （4）浓度 ①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。 ②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；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3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 10～30MPa 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 3.合成氨的工艺流程 即学即练 1.在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　) ①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧ 2．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析不正确的是 A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 ◆知识点三 选择工业合成适宜条件的原则 1.考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 2.考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 3.选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。 4.选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 一、合成氨反应的图像分析 1.N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH <0 ，平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系如下图所示： 结论：压强越大，氨的含量越高；温度越高，氨的含量越低。 2.速率-时间图像分析 下图为合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH <0的速率随时间变化的曲线图： 图像分析： （1）t0时，v正、v逆均不为零,说明反应从两个方向同时开始，由于v正＞v逆，所以反应向正反应方向进行； （2）t1时，增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动； （3）t2时，减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动； （4）t3时，增大压强，平衡向正反应方向移动； （5）t4时，减小压强，平衡向逆反应方向移动； （6）t5时，升高温度，平衡向逆反应方向移动； （7）t6时，降低温度，平衡向正反应方向移动； （8）t7时，增大N2、H2的浓度，减小NH3的浓度，平衡向正反应方向移动； （9）t8时，加入催化剂，平衡不移动。 解题技巧—反应达到平衡后，改变条件： （1）v正＞v逆，平衡正向移动；v正＝v逆，平衡不移动；v正＜v逆，平衡逆向移动。 （2）只改变反应物或生成物浓度时，有一条线连接原曲线。 （3）改变温度，曲线不再连续。 （4）改变压强，若反应前后均有气体且气体的物质的量不相等，则v正、v逆发生变化，曲线不再连续；若反应前后气体的物质的量相等，则v正＝v逆，曲线也不再连续。 实践应用 1.某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是(　　) A．t2时加入催化剂 B．t3时降低了温度 C．t5时增大了压强 D．t4～t5时间内转化率一定最低 2.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．c点处反应达到平衡 B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同 C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大 D．a点的正反应速率比b点的小 二、工业生产中选择适宜生产条件的思路 选取适宜的化工生产条件时,要运用反应速率和化学平衡移动的相关知识,同时考虑化工生产中的动力、材料及设备等因素的影响,综合选取适宜的生产条件。具体分析如下: 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制 实践应用 1.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 6．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Cu­Zn­Fe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 考点一 合成氨的反应原理及适宜条件选择 【例1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．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 B．合成氨厂一般采用的压强为10MPa～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 C．增大压强，正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大 D．的量越多，的转化率越大，因此，充入的越多越有利于的合成 解题要点 合成氨反应的适宜条件 在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合速率与平衡两方面的措施，得出合成氨的适宜条件： 1.浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用。 2.温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，400～500 ℃左右为宜，此温度也是催化剂活性温度范围。 3.压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，压强增大，有利于氨的合成，但对设备要求也就很高，所需动力也越大，应选择适当压强，即10 MPa～30 MPa。 4.催化剂：选用铁触媒，能加快反应速率，缩短达到平衡所需时间。 【变式1-1】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，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 【变式1-2】一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率(　　) A．a中大 B．b中大 C．a、b中一样大 D．无法判断 考点二 化工生产中反应条件的控制 【例2】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% 解题要点 1.从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 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 无 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 【变式2-1】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。有关反应的说法中不正确的是 A．实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B．实际生产中，为了提高反应速率，压强越高越好 C．在生产中，通入过量空气的目的是提高的转化率 D．实际生产中，选定400~500℃作为操作温度的主要原因是催化剂的活性最高 【变式2-2】工业上可在高纯氨气下球磨氢化锂以合成高纯度的储氢材料氨基锂，原理可表示为： LiH(s) + NH3(g)= LiNH2(s) + H2(g)。如图表示在不同氨气分压和不同球磨时间下目标产物LiNH2的相对纯度变化曲线。考虑实验安全(氨气压力要小)以及目标产物LiNH2的相对纯度要得到保证(接近98%)，选择合成的最佳条件为 A．0.2MPa，1.0h B．0.3MPa，2.0 h C．0.4 MPa，2.0 h D．0.5MPa， 1.5 h 基础达标 1.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中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700 K左右的高温而不是900 K的高温 D．采用1×107～3×107 Pa的压强 2.化工生产中反应速率影响工厂的效益。下列操作不能提高工业合成氨速率的是 A．适当升温 B．适当加压 C．选择合适催化剂 D．加快通过催化剂的气流速度 3.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中，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，无需考虑设备、条件 4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．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 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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 5.合成氨反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)       △H=-92.4kJ·mol-1。下列说法正确的是 A．合成氨反应在任何温度下都能自发 B．1molN2与过量H2充分反应放热92.4kJ C．合成氨实际生产中选择高压和低温 D．将氨液化分离，可促进平衡正移及循环利用氮气和氢气 6.化学反应广泛联系生活、生产及研究领域。下列叙述与化学反应调控无关的是 A．油锅起火，盖上锅盖灭火 B．生产糖果，加入食用色素 C．鲜牛奶冷藏，冷链运输 D．工业合成氨，研发新型催化剂 7.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 8.在硫酸工业生产中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g) +O2(g)2SO3(g) ΔH= -196.6kJ/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 温度/℃ 平衡时的转化率 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 从化学反应速率、化学平衡及生产成本、产量等角度综合分析，在实际生产中有关该反应适宜条件选择的说法正确的是 A．SO2的转化率与温度成反比，故采用尽可能低的温度 B．该反应在450℃左右、1MPa (常压)下进行较为合适 C．SO2的转化率与压强成正比，故采用尽可能高的压强 D．为了提高的SO2的转化率，应使用合适的催化剂 9.在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　) A．改变条件后速率—时间图像如图 B．此过程中Q>K C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的转化率增大 10.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 综合应用 11.合成氨工业中，原料气(、及少量CO、的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为：  。以下说法错误的是 A．原料气中的体积分数越大，平衡混合物中氨的体积分数也越大 B．杂质有可能引发催化剂中毒 C．使用催化剂可降低反应的活化能，大大提高生产效率 D．铜氨液再生的适宜条件是高温低压 12.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 13.相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1 g N2和1 g H2，乙容器中充入2 g N2和2 g H2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是(　　) A．化学反应速率：乙>甲 B．平衡后N2的浓度：乙>甲 C．H2的平衡转化率：乙>甲 D．平衡混合气体中H2的体积分数：乙>甲 14.氨的催化氧化是工业制硝酸的基础，其反应机理如图1，在1L密闭容器中充入和，测得有关产物的物质的量与温度的关系如图2。 下列说法错误的是 A．加入Pt-Rh合金的目的是提高反应的速率 B．氨的催化氧化最佳温度应控制在840℃左右 C．520℃时，的转化率为40％ D．840℃以上，可能发生了反应： 15.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 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 16.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）在容积为2L的恒温密闭容器中加入0.1mol的N2和0.3mol的H2在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0，在5分钟时反应恰好达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.1mol。这段时间内用H2表示的反应速率为v(H2)=____。 （2）平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有____。(答一条即可) （3）下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态的依据是____(填序号字母)。 A．容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2 B．v(H2)正=3v(N2)逆 C．混合气体的密度保持不变 D．容器内压强保持不变 （4）已知合成氨反应N2+3H2⇌2NH3在400℃时的平衡常数K=0.5(mol/L)-2。在400℃时，测得某时刻c(N2)=2mol/L、c(H2)=2mol/L、c(NH3)=3mol/L，此时刻该反应的v正____v逆(填“>”“=”或“<”)。 （5）如图表示在恒压密闭容器中，不同温度下，达到平衡时NH3的体积百分数与投料比[]的关系。 由此判断KA、KB、KC的大小关系为：____。 拓展培优 17.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的密闭容器中投入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强及温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是 A．上述正反应为放热反应 B．在4 MPa、1 200 K时，图中X点v(H2)正＜v(H2)逆 C．在5 MPa、800 K时，该反应的平衡常数为 D．工业上维持6 MPa、1 000 K而不采用10 MPa、1000 K，主要是因为前者碳的转化率高 18.开发CO2催化加氢可合成二甲醚。其主要反应为： ① CO2(g)+ 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)  ΔH1 =﹣49.01 kJ·mol−1 ② 2CH3OH(g)CH3OCH3(g) + H2O(g)  ΔH2 =﹣24.52 kJ·mol−1 合成二甲醚时还会发生副反应： ③ CO2(g)+ H2(g)CO(g) + H2O(g)  ΔH3 = + 41.2 kJ·mol−1 其他条件相同时，反应温度对CO2平衡总转化率及反应2.5小时的CO2实际总转化率影响如图1所示；反应温度对二甲醚的平衡选择性及反应2.5小时的二甲醚实际选择性影响如图2所示。(已知：CH3OCH3的选择性=×100％)。 下列说法正确的是 A．不改变反应时间和温度，增大压强或增大CO2与H2的投料比都能进一步提高CO2实际总转化率和二甲醚实际选择性 B．CO2催化加氢合成二甲醚的最佳温度为240℃左右 C．温度高于290℃，CO2平衡总转化率随温度升高而上升的原因为反应①进行程度大于反应③ D．一定温度下，加入多孔CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2的转化率 19.CO常用于工业冶炼金属，如图是在不同温度下CO还原四种金属氧化物达平衡后气体中lg[c(CO)/c(CO2)]与温度(T)的关系曲线图。下列说法正确的是    A．工业上可以通过增高反应装置来延长矿石和CO接触的时间，减少尾气中CO的含量 B．CO适用于高温冶炼金属铬(Cr) C．工业冶炼金属铜(Cu)时较低的温度有利于提高CO的利用率 D．CO还原PbO2的反应ΔH>0 20.某研究性学习小组研究了汽车尾气中的NO与CO的反应和某工业废气中的NO2与SO2的反应。回答下列问题： （1）一定温度下，向某容积为1 L的密闭容器中通入a mol NO、b mol CO，控制一定的条件使其发生反应：2NO(g)＋2CO(g) ⇌N2(g)＋2CO2(g)　ΔH<0。测得NO的平衡转化率与温度、投料比X(X＝)的关系如图甲所示。 则T1________(填“>”或“<”)T2；若X1＝0.8、a＝2，反应开始至达到平衡(对应A点)所用的时间是2 min，则反应发生的2 min内N2的平均反应速率v(N2)＝________，A点对应的平衡常数K＝________(保留3位有效数字)。 （2）在固定体积的密闭容器中发生反应： NO2(g)＋SO2(g) ⇌SO3(g)＋NO(g)　ΔH＝－41.8 kJ·mol－1 使用某种催化剂，改变的值进行多组实验(各组实验的温度可能相同，也可能不同)，测定NO2的平衡转化率。部分实验结果如图乙所示。 ①如果要将图乙中C点的平衡状态改变为B点的平衡状态，应采取的措施是______________。 ②若A点对应实验中，SO2的起始浓度为c0 mol·L－1，经过t min达到平衡状态，该时段NO2的平均反应速率v(NO2)＝________mol·L－1·min－1。 ③若图乙中C、D两点对应的实验温度分别为TC和TD，通过计算判断TC________(填“>”“＝”或“<”)TD。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$