2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨(课件PPT)-【新课程学案】2025-2026学年高中化学选择性必修1（鲁科版）

该高中化学课件聚焦工业合成氨反应条件的优化，从合成氨反应的可逆性、放热及气体分子数减少特点切入，先复习化学平衡与反应速率原理，再通过新知探究分析限度与速率的影响因素，搭建从理论到工业应用的学习支架。 其亮点是结合题点多维训练和硫酸工业等应用案例，以科学思维和科学探究与实践为核心，通过微思考引导多角度调控思路，培养学生化学观念。学生能提升理论联系实际能力，教师可借助系统训练与案例分析提高教学效率。

第4节 化学反应条件的优化 ——工业合成氨 学习目标 重点难点 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，对调控化学反应速率具有重要意义。 重点 合成氨反应中化学反应速率和化学平衡的综合调控 难点 形成多角度调控反应的思路 新知探究(一)——合成氨反应的 限度与速率 新知探究(二)——合成氨生产的 适宜条件 课时跟踪检测 目录 新知探究(一)——合成氨反应的 限度与速率 (一)合成氨反应的限度 1.合成氨反应的特点 (1)反应原理(298 K) N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。 (2)反应特点 可逆性 反应为可逆反应 体积变化 正反应是气体的物质的量减小的反应 反应热 ΔH<0，该反应为放热反应 自发性 ΔH-TΔS<0，常温下能自发进行 2.有利于合成氨的条件 [微思考]　低温、高压为什么能够增大合成氨反应的限度？ 外界条件 ______温度、_____压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动 投料比 温度、压强一定时，N2、H2的体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高 提示:该反应为放热反应，低温可以使平衡正向移动；该反应的正反应为气体的物质的量减小的反应，因此增大压强平衡正向移动。 降低 增大 1∶3 (二)合成氨反应的速率 1.合成氨反应的速率方程 v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)。 2.提高合成氨反应速率的方法 升高温度、增大压强、增加反应物的浓度，降低产物的浓度、使用催化剂。 1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)根据合成氨反应的速率方程可知:减少氨气的浓度，反应速率不变。( ) (2)合成氨反应中选用铁做催化剂，既能提高反应速率，又能提高原料的转化率。( ) (3)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好。( ) (4)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率。( ) 题点多维训练 × × × √ √ 2.在合成氨反应中，下列情况不能使反应速率加快的是 (　　) A.加入氮气 B.减小压强，扩大容器体积 C.加入催化剂 D.适当升高温度 解析:增大反应物氮气的浓度，活化分子的数目增多，正、逆反应速率加快，故A不能选；减小压强，扩大容器体积，会导致化学反应速率减慢，故B选；催化剂能够同时增大反应的正、逆反应速率，故C不能选；升高温度，活化分子的百分数增大，使正、逆化学反应速率加快，故D不能选。 3.可逆反应:3H2(g)+N2(g)⇌2NH3(g)　ΔH<0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是 (　　) A.升高温度，减小压强，增加氮气 B.降低温度，增大压强，加入催化剂 C.升高温度，增大压强，增加氮气 D.降低温度，增大压强，分离出部分氨 解析:先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的；合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动。增加反应物(N2)浓度或减小反应产物(NH3)浓度，会使平衡向正反应方向移动，选项D正确；加入催化剂可提高反应速率，但对平衡移动无影响，选项B错误。 √ 4.下列有关工业合成氨的叙述中正确的是 (　　) A.温度升高，有利于提高合成氨的反应速率 B.工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨 C.合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响 D.使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大 √ 解析:温度升高，化学反应速率增大，A正确。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮气的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。 新知探究(二)——合成氨生产的 适宜条件 (一)合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应条件选择的原则 (1)选择合成氨生产的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不应只追求高反应速率。而应该寻求以较高的反应速率获取适当转化率的反应条件。 (2)考虑原料的______、未转化的合成气(氮气和氢气)的循环使用、反应热的综合利用等问题。 价格 2.合成氨反应的适宜条件 影响因素 选择条件 温度 反应温度控制在______左右 物质的量 N2、H2投料比为1∶2.8 压强 1×107~1×108 Pa 催化剂 选择铁做催化剂 700 K [微思考]　该反应的温度为什么控制在700 K？ 提示:温度在700 K时，催化剂的催化活性最好，且在此温度下，转化率不至于太低，反应速率不至于太慢。 3.合成氨的生产流程的三阶段 (二)工业生产中选择适宜生产条件的思路 1.分析化学反应的特点:从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。 2.根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。 3.从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。 反应 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) ΔV(g)<0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔV(g)>0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 续表 应用化学 硫酸是一种重要的工业原料，可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池等，也广泛应用于净化石油、金属冶炼以及染料等工业中。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)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)。 压强 温度 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% 转 化 率 1.根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，应该选择的条件是什么？ 提示:低温、高压。 2.根据化学理论和以上数据综合分析，为了加快反应速率，应该选择的条件是什么？ 提示:高温、高压、催化剂。 3.在实际生产中，选定400~500 ℃作为操作温度，其原因是什么？ 提示:在此温度下催化剂的活性最高。 4.根据上表中的数据分析，制取SO3时采用的压强是多少？原因是什么？ 提示:1×105 Pa；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。 5.在生产中，通入过量空气的目的是什么？ 提示:增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率。 6.根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么？ 提示:常压、450 ℃、催化剂。 7.尾气中的SO2必须回收的目的是什么？ 提示:防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率。 √ 1.合成氨所需要的H2可由煤和水反应制得: (1)H2O(g)+C(s)⇌CO(g)+H2(g)　ΔH>0 (2)CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g)　ΔH<0 工业生产中，欲提高CO的转化率，所采用的下列措施正确的最佳组合是(　　) ①降低温度　②增大压强　 ③使用催化剂　④增大CO浓度　⑤增大H2O(g)的浓度 A.①⑤ B.②③ C.②④⑤ D.③⑤ 题点多维训练 解析:反应(2)为体积不变的放热反应，降温和增大水蒸气的浓度均可使平衡右移，提高CO的转化率。 √ 2.(2025·南宁高二检测)在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇的反应如下:2CO2(g)+6H2(g)⇌CH3CH2OH(g)+3H2O(g)，下列叙述错误的是 (　　) A.使用催化剂可大大提高生产效率 B.反应需在300 ℃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 解析:使用催化剂可加快反应速率，能大大提高生产效率，故A正确；如煤的燃烧放热，但需要加热，反应加热与反应放热还是吸热没有直接的关系，故B错误；充入大量CO2气体平衡会正向移动，所以可提高H2的转化率，故C正确；从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O会使平衡正向移动，所以可提高CO2和H2的利用率，故D正确。 3.氯化硫酰(SO2Cl2)主要用作氯化剂。它是一种无色液体，熔点-54.1 ℃，沸点69.1 ℃，遇水生成硫酸和氯化氢。氯化硫酰可用干燥的二氧化硫和氯气在活性炭催化剂存在下反应制取:SO2(g)+Cl2(g) SO2Cl2(l)　ΔH=-97.3 kJ·mol-1。为了提高上述反应中Cl2的平衡转化率，下列措施合理的是(　　) A.扩大容器体积 B.使用催化剂 C.增加SO2浓度 D.升高温度 解析:提高Cl2的平衡转化率，应该使平衡正向移动，增大反应物的浓度、增大反应体系的压强(缩小容器的体积)、降低温度，都可以达到该目的。 √ √ 4.(2025·六安高二期中)如图为工业合成氨的流程图， 下列有关说法不正确的是 (　　) A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率 C.步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 D.液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂 解析:步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应是气体分子数减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移动，即可提高原料转化率，增大压强，可增大反应速率，B项正确；步骤③为“催化反应”，催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转化率，且升高温度降低了原料的转化率，C项错误；氨是制备氮肥的原料，液氨汽化时吸收热量，可以作为制冷剂，D项正确。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 12 一、选择题 1.合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是(　　) A.加快反应速率 B.提高NH3的平衡浓度 C.降低NH3的沸点 D.提高N2和H2的利用率 解析:合成氨反应是可逆反应，采取循环操作的主要目的是提高N2和H2的利用率。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 2.合成氨反应使用催化剂的理由是 (　　) 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 解析:使用催化剂，加快反应速率，缩短达到平衡时间，但平衡不移动。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 3.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 解析:在700 K时，可适当提高合成氨的反应速率，且在该温度下，铁的活性最大。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 4.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+O2 2SO3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 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，平衡向正方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 5.在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是 (　　) A.加入催化剂 B.增大H2的浓度 C.升高温度 D.增大NH3的浓度 解析:加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度反应速率减慢。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 6.(2025·济宁高二期末)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 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 解析:铜氨液再生，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，升高温度或减小压强均可使平衡逆向移动，故A正确。反应的ΔH<0，反应后气体分子数减少，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，故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，故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，故D错误。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 12 11 3 7.(2025·天津期中检测)吉林大学科研人员合作研究得出基于机械化学(“暴力”干扰使铁活化)在较温和的条件下由氮气合成氨的新方案(如图所示)，利用这种方案所得氨的体积分数平衡时可高达82.5%。已知合成氨反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。下列说法正确的是 (　　) A.该方案所得氨的含量高，主要是因为使用了铁做催化剂 B.采用该方案生产氨气，活化能和ΔH均减小 C.该方案提高了氨的平衡体积分数，与反应温度较低有关 D.为了提高氢气的平衡转化率和反应速率，应尽量采取较高温度 1 2 4 5 6 7 8 9 10 12 11 3 解析:使用催化剂，平衡不移动，氨气的含量不变，故A错误；使用催化剂，可以降低反应所需的活化能，但是反应焓变不变，故B错误；反应放热，温度低，有利于平衡正向移动，氨的平衡体积分数提高，故C正确；温度升高，反应速率加快，平衡逆向移动，氢气平衡转化率减小，故D错误。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 8.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。 根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(　　) A.提高分离技术 B.研制耐高压的合成塔 C.研制低温催化剂 D.探索不用N2和H2合成氨的新途径 解析:由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁的活性最高时的温度为700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 9.在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g)　ΔH2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是 (　　) A.ΔH1<0，ΔH2>0 B.增大压强有利于加快合成反应的速率 C.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生 D.生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 解析:根据图示升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)逆向移动，ΔH1<0，升高温度CO的产率增大，反应CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g)正向移动，ΔH2>0，A正确；反应有气体参与，增大压强有利于加快合成反应的速率，B正确；催化剂有一定的选择性，选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生，C正确；由图像可见，温度越高CH3OH的产率越低，D错误。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 √ 10.将含NO和CO的尾气在不同温度下，以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应:2NO(g)+2CO(g)⇌N2(g)+2CO2(g)　ΔH<0，测量相同时间内逸出气体中NO的含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图所示。下列说法不正确的是 (　　) A.两种催化剂均能降低反应的活化能，但ΔH均不变 B.曲线Ⅱ中的催化剂的最适宜温度为450 ℃左右 C.若低于200 ℃，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的原因可能是催化剂的活性不高 D.图中a点是已达到平衡状态，相对于曲线Ⅰ的最高点，平衡逆向移动 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 解析:加入催化剂，能降低反应的活化能，加快反应速率，但反应热由反应物和生成物的总能量决定，故ΔH均不变，故A正确；由图可知，曲线Ⅱ中450 ℃左右脱氮率最大，故催化剂的最适宜温度为450 ℃左右，故B正确；由图可知，若低于200 ℃，图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大，催化剂活性受到温度影响，故脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂的活性不高，故C正确；反应放热，降低温度，平衡正向移动，a点对应的平衡脱氮率应大于450 ℃时的脱氮率，故a点不是平衡点，故D错误。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 二、非选择题 11.(6分)合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3⇌[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH<0。 (1)必须除去原料气中CO的原因___________________________。  (2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件应是____________。  (3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是____________。  防止合成塔中的催化剂中毒　 低温、高压　 高温、低压 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 12.(15分)(2024·贵州卷)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应: ⅰ.CH4(g)→C(s)+2H2(g)　ΔH1=+74.6 kJ·mol-1　ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1 ⅱ.6CH4(g)→C6H6(l)+9H2(g)　ΔH2 回答下列问题: (1)反应ⅰ在1 000 K时_____(填“能”或“不能”)自发进行。  能　 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:反应ⅰ在1 000 K时，ΔG=ΔH-TΔS=+74.6 kJ·mol-1-1 000 K×80.84× 10-3 kJ·mol-1·K-1=-6.24 kJ·mol-1<0，故反应ⅰ在1 000 K时能自发进行。由题给数据可得出以下热化学方程式: ③CH4(g)+2O2(g)==CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=a kJ·mol-1 ④C6H6(l)+7.5O2(g)==6CO2(g)+3H2O(l) ΔH=b kJ·mol-1 ⑤H2(g)+0.5O2(g)==H2O(l) ΔH=c kJ·mol-1 依据盖斯定律，将反应③×6-④-⑤×9得，反应ⅱ的ΔH2=(6a-b-9c)kJ·mol-1。 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 12.(15分)(2024·贵州卷)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应: ⅰ.CH4(g)→C(s)+2H2(g)　ΔH1=+74.6 kJ·mol-1　ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1 ⅱ.6CH4(g)→C6H6(l)+9H2(g)　ΔH2 (2)已知25 ℃时有关物质的燃烧热数据如表，则反应ⅱ的ΔH2=________kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表示)。  物质 CH4(g) C6H6(l) H2(g) ΔH/(kJ·mol-1) a b c 6a-b-9c 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 12.(15分)(2024·贵州卷)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应: ⅰ.CH4(g)→C(s)+2H2(g)　ΔH1=+74.6 kJ·mol-1　ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1 ⅱ.6CH4(g)→C6H6(l)+9H2(g)　ΔH2 (3)受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是____________________________________________________________ _________________________________________________________。  解析:由于反应ⅰ生成固态碳，会覆盖在催化剂表面，从而减小气体与催化剂的接触面积，因此随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低。 反应ⅰ有积碳生成，随着反应的进行，生成的积碳逐渐增多，覆盖 在催化剂表面，使催化剂催化性能逐渐降低，化学反应速率减小 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为_____，理由是______________________________ ___________________________________________。  pH CH4平均转化率/% 芳烃平均产率/% 产物中积碳平均含量/% 2.4 9.60 5.35 40.75 4.0 9.80 4.60 45.85 7.0 9.25 4.05 46.80 10.0 10.45 6.45 33.10 12.0 9.95 4.10 49.45 10.0 pH=10.0时，产物中积碳平均含量 最低，CH4平均转化率最大，芳烃平均产率最高 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:比较表中数据可以看出，pH=10.0时，CH4平均转化率为最大值10.45%，芳烃平均产率为最大值6.45%，产物中积碳平均含量为最小值33.10%，所以最佳pH为10.0。 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 12.(15分)(2024·贵州卷)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应: ⅰ.CH4(g)→C(s)+2H2(g)　ΔH1=+74.6 kJ·mol-1　ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1 ⅱ.6CH4(g)→C6H6(l)+9H2(g)　ΔH2 (5)973 K、100 kPa下，在某密闭容器中按n(C6H6)∶n(CH4)=1∶5充入气体，发生反应C6H6(g)+CH4(g) →C7H8(g)+H2(g)，平衡时C6H6与C7H8的分压比为4∶1， 则C6H6的平衡转化率为_____，平衡常数Kp=_____________________________ (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，列出计算式即可)。  20% 或 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:设起始时C6H6的物质的量为1 mol，CH4的物质的量为5 mol，参加反应C6H6的物质的量为x mol，则可建立如下三段式: 　　　　　C6H6(g)+CH4(g)⇌C7H8(g)+H2(g) 起始量/mol 1 5 0 0 变化量/mol x x x x 平衡量/mol 1-x 5-x x x 依题意，=，解得x=0.2，平衡时，n(C6H6)=0.8 mol，n(CH4)=4.8 mol，n(C7H8)=0.2 mol，n(H2)=0.2 mol，则C6H6的平衡转化率为×100%=20%，平衡常数Kp=或。 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (6)引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下: CH4(g)+ (两个反应可视为同级数的平行反应) 对于同级数的平行反应有==，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下是定值。已知Ea，苯<Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有___________________________________________。  适当降低温度，加入合适的催化剂(合理即可) 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:已知Ea，苯<Ea，二甲苯，=，则温度降低，增大，可提高苯的产率；加入合适的催化剂，选择性降低Ea，苯，加快生成苯的速率，提高苯的产率。所以若要提高苯的产率，可采取的措施有:适当降低温度，加入合适的催化剂(合理即可)。 $$