第4节 化学反应条件的优化（同步讲义）化学鲁科版2019选择性必修1

第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化 第1课时 化学反应条件的优化 教学目标 1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。 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。 重点和难点 重点：化学反应条件的优化的选择。 难点：实际生成生活中化学反应条件的优化。 ◆知识点一 合成氨 1．合成氨反应的限度 (1)反应原理 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 ①自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 ②可逆性：反应为 反应。 ③熵变：ΔS<0，正反应是气体体积 的反应。 ④焓变：ΔH<0，是 反应。 (3)影响因素 ①外界条件： 温度、 压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 ②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。 2．合成氨反应的速率 (1)提高合成氨反应速率的方法 (2)浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知： N2或H2的浓度， NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 3．合成氨生产的适宜条件 (1)合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从 和 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 ，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 ，同时还要考虑设备的要求和技术条件。 (2)合成氨的适宜条件 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在700_K左右 2 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 (3)合成氨的生产流程的三阶段 即学即练 1．在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(　　) A．升高温度　 B．减小压强 C．使用催化剂 D．及时分离出氨气 2．工业上用氮气和氢气合成氨：N2＋3H22NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：10～30 MPa，温度：500 ℃左右，催化剂：铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是(　　) A．使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率 B．工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨 C．上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D．温度升高，不利于提高氮气的转化率 ◆知识点二 化学反应的调控 1.影响化学反应进行的因素 首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是 、 、 、 等反应条件。 2.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）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，寻找适宜的生产条件；此外，还要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。 3.工业生产条件的调控原则 (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、催化剂对反应速率影响的 ，又要注意催化剂的活性对 的限制。 (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的 。 即学即练 1．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．使用合适的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 2．苯乙烯与溴苯在一定条件下发生Heck反应： 溴苯用量/(mmol) 100 100 100 100 100 100 100 催化剂用量/(mmol) 2 2 2 2 2 2 2 反应温度/℃ 100 100 100 100 120 140 160 反应时间/h 10 12 14 16 14 14 14 产率/% 81.2 84.4 86.6 86.2 93.5 96.6 89.0 根据上表数据，下列说法正确的是(　　) A．最佳反应温度为100 ℃ B．最佳反应时间为16 h C．温度过高时催化剂活性可能降低 D．反应产物的分子式为C14H14 一、工业生产中选择适宜生产条件的原则 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、减小反应产物的浓度 不断地补充反应物，及时地分离出反应产物 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) Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 实践应用 1．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 2.有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　) A．增大H2的浓度，可提高H2的转化率 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在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是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 考点一 合成氨条件的选择 【例1】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 【解题要点】 选择化工生产适宜条件的分析角度 分析角度 原则要求 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 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 注意催化剂的活性对温度的限制 【变式1-1】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 考点二 以合成氨为背景的综合 【例2】对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) 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 【变式2-1】对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　) 选项 A B C D 研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响 图示 考点三 化学反应的调控 【例3】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 【变式3-1】工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 基础达标 1．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 2．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．500 ℃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 3．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 4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是(　　) A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 5．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．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 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C．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 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 6．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦　 B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．①②③⑤⑧ 7．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10 MPa～30 MPa的压强 8．4NH3＋5O24NO＋6H2O 是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是(　　) A．使用催化剂可以增大反应速率 B．增大压强可以增大反应速率 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 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，及时将氨液化分离 10．下列不符合工业合成氨生产实际的是(　　) A．铁触媒作为催化剂　　 B．N2、H2循环使用 C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行 综合应用 11．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 12．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．铁触媒作为催化剂可增大反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B．升高温度可以增大反应速率，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10 MPa～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 13．A2(g)＋3B2(g)2AB3(g)为放热反应，且合成AB3的反应速率v＝kc(A2)c1.5(B2)c－1(AB3)。合成过程中，为提高合成AB3的反应速率并提高其产率，可以采取的措施是(　　) A．升高温度 B．将AB3从反应体系中分离出去 C．使用适宜的催化剂 D．降低反应体系的压强 14．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 15．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．⑤ 16．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 17．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500 ℃左右，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，无须考虑设备条件 18.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B) C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大 D．升高温度，平衡常数K增大 拓展培优 19．2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ· mol－1。下列关于合成氨工艺的理解不正确的是(　　) A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B．控制温度(773 K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和较大的反应速率 C．当温度、压强一定时，若在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，会降低平衡转化率 D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 20．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作为催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件(浓度、温度、压强)相同情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如图，下列说法不正确的是(　　) A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3作为催化剂可以节约能源 B．其他条件相同情况下，选择Cr2O3作为催化剂，SO2的转化率最小 C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高，催化剂活性降低了 D．选择Fe2O3作为催化剂，最适宜温度为340～380 ℃ 21．在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是(　　) A．该反应的ΔH＜0 B．该反应伴随着副反应的发生 C．工业选择的较适宜温度为280～290 ℃ D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率 22．在催化剂作用下，用乙醇制乙烯，乙醇转化率和乙烯选择性(生成乙烯的物质的量与乙醇转化的物质的量的比值)随温度、乙醇进料量(单位：mL·min－1)的关系如图所示(保持其他条件相同)。在410～440 ℃温度范围内，下列说法不正确的是(　　) A．当乙醇进料量一定时，随乙醇转化率增大，乙烯选择性升高 B．当乙醇进料量一定时，随温度升高，乙烯选择性不一定增大 C．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙醇转化率减小 D．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙烯选择性增大 23．在氮及其化合物的化工生产中，对有关反应的反应原理进行研究有着重要意义。 (1)t ℃时，关于N2、NH3的两个反应的信息如下表所示： 化学反应 正反应活化能 逆反应活化能 t ℃时平衡常数 N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH＞0 a kJ·mol－1 b kJ·mol－1 K1 4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＜0 e kJ·mol－1 d kJ·mol－1 K2 请写出t ℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式：___________________________(反应热用a、b、e、d代数式表示)。t ℃时该反应的平衡常数为________(用K1和K2表示)。请解释该反应能否自发进行：_______________________。 (2)一定温度下，将2 mol N2和6 mol H2置于1 L的恒容密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0。测得不同条件、不同时间段内合成氨反应中N2的转化率，数据如下： ①上表中T1________T2(填“＞”“＜”或“＝”)，其中a、b、80三者的大小关系是________________(用含“＞”“＜”或“＝”的关系式表示)。 ②研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为v＝kc(N2)c(H2)c－1(NH3)，k为速率常数。以下说法正确的是________(填字母)。 A．升高温度，k值增大 B．T2 ℃时若容器内混合气体平均相对分子质量为17且保持不变，则反应达到平衡状态 C．将原容器中的NH3及时分离出来可使v增大 D．合成氨反应达到平衡后，增大c(N2)可使正反应速率在达到新平衡的过程中始终增大 ③已知某温度下该反应达到平衡时各物质均为1 mol，容器容积为1 L，保持温度和压强不变，又充入3 mol N2后，平衡________(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。 24．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，写出反应的化学方程式：___________________。 (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x mol，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的平衡常数Kp＝________(用p表示，气体分压＝总压×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的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＝－100.5 kJ/mol　Ea1 ②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)＋H2O(l)ΔH2＝＋27.6 kJ/mol　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 ℃时小，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，增大合成速率 C．氨可与体系内水结合，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的平衡正向移动 25．如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： (1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 (2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化 第1课时 化学反应条件的优化 教学目标 1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。 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。 重点和难点 重点：化学反应条件的优化的选择。 难点：实际生成生活中化学反应条件的优化。 ◆知识点一 合成氨 1．合成氨反应的限度 (1)反应原理 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 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。 (3)影响因素 ①外界条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 ②投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 2．合成氨反应的速率 (1)提高合成氨反应速率的方法 (2)浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 3．合成氨生产的适宜条件 (1)合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从反应速率和反应限度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。 (2)合成氨的适宜条件 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在700_K左右 2 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 (3)合成氨的生产流程的三阶段 即学即练 1．在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(　　) A．升高温度　 B．减小压强 C．使用催化剂 D．及时分离出氨气 【答案】D 【解析】合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。 2．工业上用氮气和氢气合成氨：N2＋3H22NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：10～30 MPa，温度：500 ℃左右，催化剂：铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是(　　) A．使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率 B．工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨 C．上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D．温度升高，不利于提高氮气的转化率 【答案】B 【解析】合成氨的反应是可逆反应，反应物的平衡转化率不可能达到100%，B项错误。 ◆知识点二 化学反应的调控 1.影响化学反应进行的因素 首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 2.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）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，寻找适宜的生产条件；此外，还要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。 3.工业生产条件的调控原则 (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、催化剂对反应速率影响的一致性，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。 即学即练 1．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．使用合适的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，加热可以增大化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。 2．苯乙烯与溴苯在一定条件下发生Heck反应： 溴苯用量/(mmol) 100 100 100 100 100 100 100 催化剂用量/(mmol) 2 2 2 2 2 2 2 反应温度/℃ 100 100 100 100 120 140 160 反应时间/h 10 12 14 16 14 14 14 产率/% 81.2 84.4 86.6 86.2 93.5 96.6 89.0 根据上表数据，下列说法正确的是(　　) A．最佳反应温度为100 ℃ B．最佳反应时间为16 h C．温度过高时催化剂活性可能降低 D．反应产物的分子式为C14H14 【答案】C 【解析】根据表格数据可知，当反应温度为140 ℃，反应时间为14 h时，生成物的产率最大，因此最佳反应温度为140 ℃，最佳反应时间为14 h，A、B错误；根据表格数据可知，温度超过140 ℃时，生成物的产率降低，可能是温度过高导致催化剂的活性降低，C正确；反应产物的分子式为C14H12，D错误。 一、工业生产中选择适宜生产条件的原则 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、减小反应产物的浓度 不断地补充反应物，及时地分离出反应产物 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) Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 实践应用 1．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 【答案】D　 【解析】本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是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，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。 2.有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　) A．增大H2的浓度，可提高H2的转化率 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在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是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 【答案】B　 【解析】A项，增大H2的浓度，H2的转化率减小；C项，温度控制在500 ℃的目的是催化剂活性最大；D项，压强采用2×107～5×107 Pa是考虑对设备材料的要求。 考点一 合成氨条件的选择 【例1】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，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，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。 【解题要点】 选择化工生产适宜条件的分析角度 分析角度 原则要求 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 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 注意催化剂的活性对温度的限制 【变式1-1】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，而非压强的大小，D项错误。 考点二 以合成氨为背景的综合 【例2】对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) 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，升高温度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，正反应速率瞬间减小，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、逆反应的反应速率影响相同，错误。 【变式2-1】对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　) 选项 A B C D 研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响 图示 【答案】C 【解析】A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。 考点三 化学反应的调控 【例3】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。 【变式3-1】工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 【答案】D 【解析】降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在700 K左右；增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，要选择催化剂，故D项符合题意。 基础达标 1．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 【答案】D 【解析】降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在500 ℃左右；增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，要选择催化剂，故D项符合题意。 2．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．500 ℃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.使用催化剂，能增大反应速率，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.合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，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；C.合成氨反应为放热反应，高温不利于氨的合成，温度控制在500 ℃左右是考虑催化剂的活性和增大反应速率，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；D.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。 3．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 【答案】D 【解析】工业上合成M可能采用常压，如H2SO4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。 4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是(　　) A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 【答案】B　 【解析】该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。 5．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．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 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成 C．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 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 【答案】D　 【解析】A项，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH＜0、ΔS＜0，故在常温条件下该反应能自发进行。 6．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦　 B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．①②③⑤⑧ 【答案】C　 【解析】从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑧不影响化学平衡，③使化学平衡向左移动。 7．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10 MPa～30 MPa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，降低温度利于平衡右移，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压有利于平衡右移，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为了增大反应速率，与平衡无关。 8．4NH3＋5O24NO＋6H2O 是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是(　　) A．使用催化剂可以增大反应速率 B．增大压强可以增大反应速率 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】催化剂可降低反应的活化能，增大活化分子百分数，增大反应速率，故A正确；增大压强，气体浓度增大，单位体积内活化分子数目增多，反应速率增大，故B正确；v(正)＝v(逆)说明各物质的浓度、质量等不变，达到反应限度，为平衡状态，故C正确；该反应为可逆反应，可逆反应不可能完全进行，反应物的转化率不可能达到100%，故D错误。 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，及时将氨液化分离 【答案】D 【解析】A.牛奶放在冰箱中冷藏，降低了温度，反应速率降低；B.使用加酶洗衣粉洗涤衣物，相当于使用了催化剂，增大了反应速率；C.汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂是为了防止橡胶老化，延长使用寿命，降低了反应速率；D.工业合成氨时，及时将氨液化分离，降低生成物浓度，使平衡正向移动，与调控反应速率无关。 10．下列不符合工业合成氨生产实际的是(　　) A．铁触媒作为催化剂　　 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】为加快反应速率，合成氨生产中常用铁触媒作为催化剂，A正确；为提高原料利用率，合成氨生产中N2、H2循环使用，B正确；NH3液化分离降低生成物浓度有利于平衡正向移动，C正确；合成氨反应在常压下不能进行，D错误。 综合应用 11．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，平衡体系中NH3的含量减小。 12．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．铁触媒作为催化剂可增大反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B．升高温度可以增大反应速率，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10 MPa～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 【答案】C 【解析】使用催化剂可增大反应速率，但对化学平衡移动没有影响，故A说法错误；升高温度，增大反应速率，合成氨反应为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨，故B说法错误；增大压强，增大反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，故C说法正确；合成氨采用的压强是10 MPa～30 MPa，考虑对材料的强度和设备的制造要求，与铁触媒的活性无关，故D说法错误。 13．A2(g)＋3B2(g)2AB3(g)为放热反应，且合成AB3的反应速率v＝kc(A2)c1.5(B2)c－1(AB3)。合成过程中，为提高合成AB3的反应速率并提高其产率，可以采取的措施是(　　) A．升高温度 B．将AB3从反应体系中分离出去 C．使用适宜的催化剂 D．降低反应体系的压强 【答案】B 【解析】A.升高温度，反应速率增大，但平衡逆向移动；B.将AB3从反应体系中分离出去，平衡正向移动，由v＝kc(A2)·c1.5(B2)c－1(AB3)可知，反应速率增大；C.使用适宜的催化剂，平衡不移动；D.降低反应体系的压强，反应速率减小，且平衡逆向移动，产率降低。 14．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 【答案】D 【解析】要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨，减小生成物浓度的方法，促使平衡向正反应方向移动，故D项正确。 15．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．⑤ 【答案】C 【解析】该反应前后气体体积不变，增大压强，平衡不移动，CO的转化率不变；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。 16．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H2和NH3物质的量相等的点，该点以后，H2的量还在减少，NH3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N2的物质的量相等，B项错误；工业合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，H2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。 17．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500 ℃左右，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，无须考虑设备条件 【答案】B 【解析】合成氨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分离出后，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项错误、B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度，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移动的角度考虑，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 MPa～30 MPa，D项错误。 18.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B) C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大 D．升高温度，平衡常数K增大 【答案】C 【解析】该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。 拓展培优 19．2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ· mol－1。下列关于合成氨工艺的理解不正确的是(　　) A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B．控制温度(773 K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和较大的反应速率 C．当温度、压强一定时，若在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，会降低平衡转化率 D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 【答案】B 【解析】根据N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ· mol－1可知，该反应的ΔH小于零，该反应为气体物质的量减小的反应，所以ΔS小于零，A正确；该反应的ΔH(298 K)＝－46.2 kJ· mol－1，控制温度(773 K)远高于室温使平衡逆向移动，不能提高平衡转化率，但可以增大反应速率，B错误；当温度、压强一定时，若在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，容器体积增大，相当于减小压强，平衡逆向移动，平衡转化率降低，C正确；NH3可以形成分子间氢键，有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行，D正确。 20．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作为催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件(浓度、温度、压强)相同情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如图，下列说法不正确的是(　　) A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3作为催化剂可以节约能源 B．其他条件相同情况下，选择Cr2O3作为催化剂，SO2的转化率最小 C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高，催化剂活性降低了 D．选择Fe2O3作为催化剂，最适宜温度为340～380 ℃ 【答案】B 【解析】根据题图可知，当温度在340 ℃时，在Fe2O3作为催化剂条件下，SO2的转化率最大，A正确；其他条件相同情况下，在260～300 ℃时，选择NiO作为催化剂，SO2的转化率最小，B错误；催化剂催化能力需要维持在一定的温度下，温度太高，催化剂活性可能会降低，C正确；340～380 ℃温度范围内，Fe2O3的催化能力最佳，二氧化硫的转化率也最大，反应速率最大，D正确。 21．在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是(　　) A．该反应的ΔH＜0 B．该反应伴随着副反应的发生 C．工业选择的较适宜温度为280～290 ℃ D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率 【答案】D 【解析】由题图可知，随着温度升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH＜0，A项正确；由题图可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；在280～290 ℃之间，CH3OCH3的产率很高，故工业选择的较适宜温度为280～290 ℃，C项正确；加入催化剂可增大反应速率，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。 22．在催化剂作用下，用乙醇制乙烯，乙醇转化率和乙烯选择性(生成乙烯的物质的量与乙醇转化的物质的量的比值)随温度、乙醇进料量(单位：mL·min－1)的关系如图所示(保持其他条件相同)。在410～440 ℃温度范围内，下列说法不正确的是(　　) A．当乙醇进料量一定时，随乙醇转化率增大，乙烯选择性升高 B．当乙醇进料量一定时，随温度升高，乙烯选择性不一定增大 C．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙醇转化率减小 D．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙烯选择性增大 【答案】A 【解析】根据图像，当乙醇进料量一定时，随乙醇转化率增大，乙烯选择性逐渐升高，但达到一定温度后，乙烯选择性逐渐降低，故A项错误、B项正确；根据题中第一个图，当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙醇转化率减小，故C项正确；根据题中第二个图，当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙烯选择性增大，故D项正确。 23．在氮及其化合物的化工生产中，对有关反应的反应原理进行研究有着重要意义。 (1)t ℃时，关于N2、NH3的两个反应的信息如下表所示： 化学反应 正反应活化能 逆反应活化能 t ℃时平衡常数 N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH＞0 a kJ·mol－1 b kJ·mol－1 K1 4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＜0 e kJ·mol－1 d kJ·mol－1 K2 请写出t ℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式：___________________________(反应热用a、b、e、d代数式表示)。t ℃时该反应的平衡常数为________(用K1和K2表示)。请解释该反应能否自发进行：_______________________。 (2)一定温度下，将2 mol N2和6 mol H2置于1 L的恒容密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0。测得不同条件、不同时间段内合成氨反应中N2的转化率，数据如下： ①上表中T1________T2(填“＞”“＜”或“＝”)，其中a、b、80三者的大小关系是________________(用含“＞”“＜”或“＝”的关系式表示)。 ②研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为v＝kc(N2)c(H2)c－1(NH3)，k为速率常数。以下说法正确的是________(填字母)。 A．升高温度，k值增大 B．T2 ℃时若容器内混合气体平均相对分子质量为17且保持不变，则反应达到平衡状态 C．将原容器中的NH3及时分离出来可使v增大 D．合成氨反应达到平衡后，增大c(N2)可使正反应速率在达到新平衡的过程中始终增大 ③已知某温度下该反应达到平衡时各物质均为1 mol，容器容积为1 L，保持温度和压强不变，又充入3 mol N2后，平衡________(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。 【解析】(1)依题意可得：N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH＝(a－b) kJ·mol－1 ①；4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)　ΔH＝(e－d) kJ· mol－1②；利用盖斯定律，将反应②－①×5，即得t ℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式为4NH3(g)＋6NO(g)===5N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＝(e－d－5a＋5b) kJ· mol－1。t ℃时该反应的平衡常数为＝。该反应的ΔH＜0，ΔS＞0，所以ΔG＝ΔH－TΔS＜0，可以自发进行。 (2)①因为相同时间段内，T2时N2的转化率大，则反应速率大，温度高，所以T1＜T2；由于正反应为放热反应，升高温度时，平衡逆向移动，N2的转化率降低，所以a、b、80三者的大小关系是a＝b＜80。②A.升高温度，v增大，所以k值增大，A正确；B.合成氨反应中混合气体的总质量不变，若混合气体的平均相对分子质量不变，则物质的量不变，气体的分子数不变，所以反应达到平衡状态，B正确；C.将原容器中的NH3及时分离出来，则c(NH3)减小，所以v增大，C正确；D.合成氨反应达到平衡后，增大c(N2)瞬间，正反应速率增大，随着平衡的移动，正反应速率逐渐减小，D不正确。③已知某温度下该反应达到平衡时各物质均为1 mol，容器容积为1 L，则K＝1；保持温度和压强不变，又充入3 mol N2后，此时容器的体积为2 L，Q＝＝1＝K，则平衡不移动。 【答案】(1)4NH3(g)＋6NO(g)===5N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＝(e－d－5a＋5b) kJ· mol－1　　该反应的ΔH＜0，ΔS＞0，所以ΔG＝ΔH－TΔS＜0，可以自发进行 (2)①＜　a＝b＜80　②ABC　③不移动 24．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，写出反应的化学方程式：___________________。 (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x mol，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的平衡常数Kp＝________(用p表示，气体分压＝总压×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的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＝－100.5 kJ/mol　Ea1 ②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)＋H2O(l)ΔH2＝＋27.6 kJ/mol　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 ℃时小，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，增大合成速率 C．氨可与体系内水结合，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的平衡正向移动 【解析】(1)氮气的沸点低，可以通过液化空气分离法得到氮气，故A对；煤可以和水反应生成水煤气，故B对；原料气需经净化处理以防催化剂中毒，故C对；电解水需要消耗过多能量，不是廉价高效的方法，故D错。 (2)H2S与过量氨水反应的化学方程式为H2S＋2NH3·H2O===(NH4)2S＋2H2O。 (3)　　　　　　　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 起始/(mol/L) x 2.8x 0 变化/(mol/L) 0.8x 2.4x 1.6x 平衡/(mol/L) 0.2x 0.4x 1.6x Kp＝＝＝。 (4)反应①的活化能远小于反应②的活化能，反应①很快达到平衡，升高温度，反应①的平衡逆向移动，NH2COONH4(l)浓度减小，导致合成尿素速率减小。 (5)A.氨不容易获得，错；B.根据反应①可知，氨过量，可以提高二氧化碳的转化率，浓度增大也能增大反应速率，对；C.氨容易与水反应且易溶于水，减少副反应发生，对；D.氨结合水以后，可以促进反应②的平衡正向移动，对。 【答案】(1)ABC　(2)H2S＋2NH3·H2O===(NH4)2S＋2H2O　(3)　(4)反应①的活化能远小于反应②的活化能，反应①很快达到平衡，升高温度，反应①的平衡逆向移动，NH2COONH4(l)浓度减小，导致合成尿素速率减小(答案合理即可)　(5)BCD 25．如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： (1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 (2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 【答案】(1)放热　92　(2)b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　(3)D　(4)①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B 【解析】(1)由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)每生成2 mol NH3放出(600－508) kJ＝92 kJ热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1。 　　　　　　 CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g) 起始浓度/mol·L－1　 0.2　　　0.3　　　　0　　　 0 转化浓度/mol·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3 2和3 min浓度/(mol·L－1) 0.1 0.2 0.1 0.3 3～4 min转化浓度/mol·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min时浓度/mol·L－1 0.09 0.19 0.11 0.33 所以x＝0.11。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$