2.4 化学反应的调控(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中化学选择性必修第一册（人教版2019 单选）

第四节　化学反应的调控 课程标准 核心素养目标 1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2．知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。 3．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。 1．证据推理与模型认知：从速率和平衡两个方面分析合成氨可能的条件，关注化学反应条件的选择与优化，基于事实，形成多角度调控化学反应的思路。 2．科学态度与社会责任：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，了解化学对社会发展的重大贡献。 [对应学生用书P49] 一、合成氨反应的特点及原理分析 1．反应特点 合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol，该反应是正向气体总体积减小、熵减小的放热反应。 2．原理分析 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？ 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 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用催化剂 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 降低温度 增大压强 无影响 3.数据分析 根据教材表2－2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： (1)提高反应速率的条件是升高温度、增大压强； (2)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、工业合成氨适宜条件的分析 1．压强 理论 分析 压强越大，合成氨反应速率越大，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的含量越高 条件 限制 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 实际 选择 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa 2.温度 理论 分析 温度越低，原料的利用率越高，平衡混合物中氨的含量越高 条件 限制 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 实际 选择 目前，合成氨在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃ 3.催化剂 (1)原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍进行得十分缓慢。 (2)选用条件：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。 (3)选择催化剂的理由：①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发生反应。②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的转化率仍不够高。 (2)采取措施：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。 三、化工生产中适宜条件的选择 1．影响化学反应进行的因素 (1)参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 (2)温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 2．化学反应的调控 ◆名师点拨 合成氨的原理分析 (1)从合成氨的原理入手，从速率和平衡两个角度预测合成氨的适宜条件。 (2)从不同条件下达到平衡时氨的含量入手，分析压强和浓度的改变对氨的产率的影响。 (3)从反应条件的一致性出发，确定合成氨的适宜条件。 ◆特别提醒 (1)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。 (2)降低温度、增大压强、增大反应物浓度等，有利于提高平衡混合物中氨的含量。 (3)催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 ◆特别提醒 合成氨生产的工艺流程 ◆归纳总结 工业合成氨的适宜条件 条件 适宜条件 压强 10 MPa～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 铁触媒 浓度 及时从混合气中分离出氨，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) 对于合成氨反应，达到平衡后： (1)升高温度，对正反应速率影响更大(　　×　　) (2)增大压强，对正反应速率影响更大(　　√　　) (3)减小反应物浓度，对逆反应速率影响更大(　　×　　) (4)使用催化剂，对逆反应速率影响更大(　　×　　) ◆名师点拨 选择适宜生产条件的基本思路 (1)从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变、熵变、反应的方向等角度分析反应的特点。 (2)根据反应特点，分析外界条件(温度、浓度、压强、催化剂等)对化学反应速率和限度的影响。 (3)从反应速率和限度的角度综合分析，充分考虑化工生产中动力、材料及设备实际情况等，选择适宜的生产条件。 [对应学生用书P51] 探究一 合成氨反应中速率和平衡的综合调控 1913年，一个年产量7 000吨的合成氨工厂建成并投产，实现了合成氨的工业化生产。从此，合成氨成为化学工业中迅速发展的重要领域。合成氨反应的原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol。工业合成氨生产流程图示如下： [问题设计] (1)欲增大氨合成塔中化学反应速率，可采取哪些有效措施？ 提示：增大N2和H2的浓度、增大压强、升高温度、使用催化剂等。 (2)分离器的作用是分离出液氨，其目的是什么？ 提示：分离出液氨，减小生成物的浓度，促使平衡向生成NH3的方向移动。 工业合成氨中生产条件的控制 [例1] 下图所示为工业合成氨的流程图。下列说法不正确的是(　　) A．步骤①中净化可以防止催化剂中毒 B．产品液氨除可生产化肥外，还可作制冷剂 C．步骤③、④、⑤均有利于增大原料的转化率 D．步骤②中加压可以增大原料的转化率和反应速率 C　解析：步骤①对原料气进行净化、干燥，获得纯净的N2和H2，经加压后在合成塔中进行催化反应，防止催化剂“中毒”，A正确；液氨可生产氮肥，由于液氨汽化吸收大量的热，可作制冷剂，B正确；步骤④和⑤有利于增大原料利用率，步骤③催化反应只增大反应速率，不能使平衡移动，故不能增大原料的转化率，C错误；加压可增大原料气的浓度，从而增大反应速率，并使平衡正向移动，增大原料的转化率，D正确。 1．合成氨对人类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，其合成原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是(　　) A．增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则反应速率增大 B．实际生产温度主要由催化剂决定 C．在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越大 D．NH3液化分离有利于合成氨 C　解析：增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，从而使反应速率增大，A正确；实际生产温度主要由催化剂的最佳活性温度决定，B正确；在实际生产中温度过高，催化剂失活，化学反应速率会减小，因此不是温度越高反应速率越大，C错误；液化分离NH3，减小生成物浓度，化学平衡正向移动，有利于合成氨，D正确。 探究二 形成多角度调控化学反应的思路 2022年10月31日15时37分，梦天实验舱由长征五号B遥四运载火箭在文昌航天发射场成功发射，并实现与空间站组合体交会对接，我国天宫空间站三舱T字构型组合体正式建成。空间站处理CO2的一种重要方法是将CO2收集、浓缩和还原，涉及反应：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＜0。 [问题设计] (1)从焓变和熵变角度分析上述反应自发进行的条件。 提示：该反应的ΔH＜0、ΔS＜0，满足ΔG＝ΔH－TΔS＜0，低温下自发进行。 (2)欲增大化学反应速率，可采取哪些措施？欲增大CO2平衡转化率，可采取哪些措施？ 提示：增大反应物浓度、升高温度、增大压强、使用催化剂等；增大压强、增大H2的浓度、降低温度等。 (3)结合化学反应速率和化学平衡，总结上述反应理想的反应条件。 提示：增大反应物浓度、增大压强、适宜温度、使用催化剂等。 1．工业生产条件选择的三个要素 (1)注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，还要考虑二者影响的矛盾性。 (2)注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，还要考虑催化剂的活性对温度的要求。 (3)注意理论条件的需要，还要考虑实际生产(设备条件、安全操作、经济成本等)的可能性。 2．工业生产中选择适宜生产条件的理论依据 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 使用合适的催化剂 无影响 使用合适的催化剂 温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾化学反应速率和化学平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 高温 兼顾实际生产条件，考虑催化剂的适宜温度 压强 高压 (有气体参加) 气体分子数减小的反应 高压 在设备允许的前提下，尽量采取高压 气体分子数增大的反应 低压 兼顾化学反应速率和化学平衡 [例2] 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 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A． 从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多转化为三氧化硫，应选择的条件是450 ℃、10 MPa B．在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃原因是考虑催化剂的活性最佳 C．在实际生产中，为了增大SO2的转化率可以无限量通入空气 D．在实际生产中，采用的压强为常压，原因是常压时转化率已经很高，增大压强对设备及成本要求太高 C　解析：由表格可知，450 ℃、10 MPa时，二氧化硫的转化率较高，因此为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是450 ℃、10 MPa，A正确；虽然从理论上讲，温度越低，SO2的平衡转化率越大，但温度低时SO2的反应速率小，且催化剂的活性低，在400～500 ℃时，催化剂的活性最佳，对生产最有利，因此选定的温度为400～500 ℃原因是考虑催化剂的活性最佳，B正确；在实际生产中，为了增大SO2的转化率，通入稍过量的空气，若空气的通入量过多，不仅会增大能源消耗，还会增大动力消耗，对设备的要求也会提高，C错误；常压下二氧化硫的平衡转化率已经很高，虽然高压有利于增大原料的利用率，但高压对设备和动力的要求提高，成本增加，从经济效益考虑，常压对生产更有利，D正确。 2．利用反应2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－746.8 kJ/mol，可净化汽车尾气，如果要同时提高该反应的反应速率和NO的转化率，采取的措施是(　　) A．降低温度 B．增大压强同时加催化剂 C．升高温度同时充入N2 D．及时将CO2和N2从反应体系中移走 B　解析：降低温度，反应速率减小，平衡右移，NO转化率增大，A不符合题意；由平衡移动原理知，增大压强平衡右移，NO转化率增大，反应速率增大，加催化剂反应速率也增大，B符合题意；升高温度平衡左移，充入N2平衡左移，NO转化率降低，C不符合题意；及时将CO2和N2从反应体系中移走，平衡右移，NO的转化率增大，但是反应速率减小，D不符合题意。 [对应学生用书P53] 1．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) 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 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，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率提高，A错误、B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错误；不论从反应速率还是化学平衡角度考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对材料的强度和设备的制造要求更高，需要动力也越大，因此一般选择10 MPa～30 MPa，D错误。 2．硫酸是最重要的无机化工原料，硫酸工业中涉及反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ/mol。下列关于此反应的条件选择不是基于勒夏特列原理的是(　　) A．按1∶1投入原料气 B．及时分离出SO3 C．增大体系的压强 D．在高温下进行反应 D　解析：按1∶1投入原料气，O2过量，能使平衡正向移动，提高SO2的转化率，A不符合题意；及时分离出SO3，降低了SO3的浓度，平衡正向移动，提高SO2的转化率，B不符合题意；该反应是化学计量数减小的反应，增大压强时，平衡正向移动，提高SO2的转化率，C不符合题意；该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，不利于生产三氧化硫，之所以在高温下进行反应是由于温度升高，反应速率增大，无法用勒夏特列原理解释，D符合题意。 3．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理以除去其中的CO，其反应为[Cu(NH3)2]＋＋CO＋NH3 [Cu(NH3)3CO]＋　ΔH＜0，所得溶液经过处理可使铜氨液再生，重复利用。以下说法正确的是(　　) A．高温、低压条件有利于铜氨液再生 B．除CO的反应在任何温度下都能自发进行 C．合成塔使用热交换控制体系控制温度在400～500 ℃左右，主要目的是使合成氨反应平衡正向移动 D．合成氨过程中的加压、加催化剂都有利于提高原料的平衡转化率 A　解析：根据铜氨液与CO、NH3的反应可知，需使铜氨液再生，使化学平衡向逆反应方向移动。由于该反应的正反应是气体体积减小的放热反应，根据平衡移动原理可知，改变的外界条件是升高温度或减小压强，A正确；反应的反应热ΔH＜0，反应后气体分子数减小，ΔS＜0，根据体系的自由能ΔG＝ΔH－TΔS，只有在低温时，反应才能自发进行，B错误；该反应的正反应是放热反应，要使平衡正向移动，应该采用低温条件。合成塔使用热交换控制体系控制温度在400～500 ℃左右，主要目的是使催化剂铁触媒的活性达到最佳状态，C错误；使用催化剂只能改变反应途径，降低反应的活化能，但是不能使平衡移动，故使用催化剂无法提高原料的平衡转化率，D错误。 4．工业上制备硫酸最重要的一步是SO2的催化氧化，发生反应为2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＜0。为了增大反应速率，并有利于SO3的吸收，需要对原料混合气体预热，同时对SO3气体降温。通常采用如图所示的热交换器(中间为空心管道)。下列说法不正确的是(　　) A．使用热交换器可以充分利用能源 B．a、b、c三处气体的组成相同 C．a、b、c、d四处的气体中均含有SO2 D．预热原料混合气主要是为了提高SO2的平衡转化率 D　解析：使用热交换器，充分进行热量交换，可以充分利用能源，A正确；从a处通入原料混合气体，经预热后原料混合气从b处流出，再从c处流入反应器，则a、b、c三处气体的组成相同，均为SO2和O2的混合气体，B正确；由于SO2→SO3的转化是可逆反应，故a、b、c、d四处的气体中均含有SO2，C正确；预热原料混合气，可提高反应的温度，增大反应速率，但不能增大SO2的平衡转化率，D错误。 5．目前哈伯法是工业合成氨的主要方式，其生产条件需要高温高压，为了有效降低能耗，过渡金属催化还原氮气合成氨被认为是具有巨大前景的替代方法。催化过程一般有吸附—解离—反应—脱附等过程，下图为N2和H2在固体催化剂表面合成氨反应路径的能量变化图(部分数据略)，其中“*”表示被催化剂吸附。 (1)氨气的脱附是 (填“吸热”或“放热”)过程，合成氨反应的热化学方程式： 。 (2)在 下有利于提高合成氨的平衡转化率。 A．高温低压 B．高温高压 C．低温低压 D．低温高压 (3)用化学方程式表示出对总反应速率影响较大的步骤 。 (4)合成氨反应在恒温恒容体系中进行，则其达到平衡的标志为 (填字母)。 A．c(N2)∶c(H2)＝1∶3 B．单位时间内，消耗a mol N2的同时生成2a mol NH3 C．NH3的体积分数不再改变 D．混合气体的平均相对分子质量不再改变 E．2v正(NH3)＝v逆(N2) F．混合气体的总压强不再改变 (5)合成氨的捷姆金和佩热夫速率方程式为v＝k1p(N2)－k2，v为反应的瞬时总速率，即正反应速率和逆反应速率之差，k1、k2分别是正、逆反应速率常数。已知：Kp是用平衡分压代替平衡浓度而得到的平衡常数(平衡分压＝总压×物质的量分数)，则合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数Kp＝ (用含k1、k2的代数式表示)。 答案：(1)吸热　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ/mol　(2)D (3)2N*＋6H*===2NH(或N*＋3H*===NH) (4)CDF　(5) 解析：(1)从图中可以看出，2NH→2NH3(g)，需要吸收100 kJ的热量，则该过程是吸热过程；1 mol N2(g)与3 mol H2(g)完全反应生成2 mol NH3(g)时，放出的热量为500 kJ－(100 kJ＋308 kJ)＝92 kJ，则合成氨反应的热化学方程式：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ/mol。 (2)合成氨反应是放热的、体积缩小的可逆反应，则在低温高压下有利于提高合成氨的平衡转化率，D符合题意。 (3)从图中可以看出，过渡态 Ⅱ 的活化能最大，此步反应为决速步，用化学方程式表示出对总反应速率影响较大的步骤：2N*＋6H*===2NH(或N*＋3H*===NH)。 (4)合成氨反应中，起始投入量c(N2)∶c(H2)＝1∶3，变化量c(N2)∶c(H2)＝1∶3，则不管反应是否达到平衡，始终存在c(N2)∶c(H2)＝1∶3，反应不一定达到平衡，A不符合题意；不管反应是否达到平衡，单位时间内，消耗a mol N2，总能生成2a mol NH3，所以反应不一定达平衡状态，B不符合题意；NH3的体积分数不再改变时，正、逆反应速率相等，反应达平衡状态，C符合题意；反应前后混合气体的质量不变，物质的量不断发生改变，当混合气体的平均相对分子质量不再改变时，反应达平衡状态，D符合题意；2v正(NH3)＝v逆(N2)，反应进行的方向相反，但速率之比不等于化学计量数之比，则反应未达平衡状态，E不符合题意；反应达平衡前，混合气体的体积不变，物质的量不断发生改变，则总压强不断发生改变，当混合气体的总压强不再改变时，反应达平衡状态，F符合题意。 (5)反应达平衡时，v＝k1p(N2)－k2＝0，则＝，合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数Kp＝＝。 学科网（北京）股份有限公司 $$