第2章 第4节 化学反应的调控-【正禾一本通】2025-2026学年高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书（人教版单选）

本高中化学讲义以工业合成氨为核心案例，系统梳理化学反应调控知识点。先分析合成氨反应放热、熵减、可逆的特点，再通过理论与实际生产条件的矛盾（如低温提高转化率但速率慢），引出催化剂选择、适宜温度压强等调控手段，最终形成综合考虑速率与平衡的调控思路。 该资料通过问题驱动（如温度矛盾解决）和表格对比（理论与实际条件）引导学生思考，体现科学思维（证据推理）与科学态度（经济成本考量）。课中辅助教师分析实际生产逻辑，课后例题及练习帮助学生巩固，助力查漏补缺。

第四节　化学反应的调控　 1．通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，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．在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值 「任务」　以工业合成氨生产条件为例研究化学反应的调控问题 合成氨反应是一个可逆反应：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；合成氨反应的平衡常数K＝4.1×106。 问题1.根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。但是，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。工业生产中是如何解决这个矛盾的？ 提示：选择合适的催化剂加快反应速率，选择一个适宜的温度使催化剂的活性最佳。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。铁触媒在 500 ℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择 400～500 ℃进行的重要原因。 问题2.工业制得的N2、H2如果不净化，有何影响？ 提示：会导致催化剂中毒。 一、合成氨反应的特点 1．反应 N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 ΔS＝－198.2 J·K-1·mol-1 2．特点 (1)放热反应(ΔH<0)。 (2)熵减小的反应(ΔS<0)，即反应过程中气体分子总数减小。 (3)自发性：常温下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 (4)可逆反应。 二、实际合成氨工业中生产条件的选择 1．压强 理论分析 压强越大，反应速率和转化率越大，但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，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益 实际生产 一般采用的压强为10 MPa～30 MPa 2.温度 理论分析 温度升高有利于提高反应速率，温度降低有利于提高反应转化率 实际生产 需要选择一个适宜的温度，一般采用的温度为400～500 ℃，此时催化剂的效果也更好 3.催化剂 理论分析 加入催化剂可以加快反应速率，对化学平衡无影响 实际生产 一般选择铁触媒作为合成氨工业的催化剂。另外，为了防止杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 4.浓度 理论分析 增大反应物浓度，有利于提高反应速率；减少生成物浓度有利于提高反应转化率，但反应速率减小 实际生产 为提高平衡转化率，工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨后及时分离，分离后的原料气循环使用，并及时补充氢气和氮气，使反应物保持一定的浓度 三、化学反应的调控 1．影响化学反应进行的因素 (1)参加反应的物质组成、结构、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 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。在实际生产中需要结合设备条件、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。 (1)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好(×) (2)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(×) (3)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(×) (4)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨气的产率(√) (5)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(×) 突破　以工业合成氨生产条件为例研究化学反应的调控问题 【例】 氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意如下。 下列说法不正确的是(　　) A．控制原料气＝2.7～2.9，是因为N2相对易得，适度过量可提高H2转化率 B．合成氨一般选择400～500 ℃进行，铁触媒的活性最大，原料气平衡转化率高 C．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的NH3进行降温利于液化分离 D．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 解析：选B。合成氨一般选择400～500 ℃进行，铁触媒的活性最大，反应速率大，温度升高，该反应的平衡转化率降低，催化剂不能改变平衡转化率，B错误。 1．合成氨条件的理论分析与实际生产条件比较 对合成氨反应的影响 理论分析 实际生产条件 速率角度 增大反应速率的条件：①升高温度；②增大压强；③增大反应物浓度；④使用催化剂 温度：400～500 ℃ 压强：10 MPa～30 MPa 催化剂：铁触媒 平衡角度 ①温度越高，NH3的产率越低；②压强越大，NH3的产率越高；③不断分离出NH3，有利于提高反应物的转化率 实际生产中还需要考虑设备条件、安全操作、经济成本、环境保护和社会效益等情况，权衡利弊。 2．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（有气体参加反应） 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 ◎鲁科版《化学反应原理》P86 工业合成氨的催化历程 工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。 根据对合成氨反应的速率及催化反应过程的研究，得出以下结论： 1．第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制总反应速率的关键步骤。为保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮气的比例，即不是达到最大平衡转化率要求的n(N2)∶n(H2)＝1∶3，而是n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。 2．为了提高氨的脱附速率，以空出活性中心供继续合成氨使用，必须降低反应后混合气体中氨的比例，适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来。 1．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，目的是除去其中的CO，其反应为：[Cu(NH3)2]＋＋CO＋NH3⥫⥬[Cu(NH3)3CO]＋　ΔH<0。以下说法错误的是(　　 ) A．原料气中H2的体积分数越大，平衡混合物中NH3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 解析：选A。合成氨时适当增大H2的量，平衡正向移动，理论上当投料比＝3时，NH3的体积分数最大，A错误。 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由CO2和H2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．使用催化剂可提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入过量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：选B。使用催化剂可提高生产效率，A正确；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，B错误；充入过量CO2气体、分离出CH3CH2OH和H2O均可提高H2的转化率，C、D正确。 3．催化剂的选择是合成氨的核心技术之一，使用催化剂1或催化剂2合成氨，产氨速率与温度的关系如图。 (1)由图判断，活化能Ea1　　　　Ea2（填“＞”“＝”或“＜”，下同） (2)使用催化剂1或催化剂2时，合成氨的ΔH1　　　ΔH2。 (3)N2和H2生成NH3的反应为：N2(g)＋H2(g)===NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·mol-1 在Fe催化剂作用下的反应过程为（*表示吸附态） 化学吸附：N2(g)―→2N*；H2(g)―→2H*； 表面反应：N*＋H*⥫⥬NH*；NH*＋H*⥫⥬NH；NH＋H*⥫⥬NH 脱附：NH⥫⥬NH3(g) 其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答：实际生产中，常用工艺条件为Fe作催化剂，控制温度773 K，压强3.0×105 Pa，原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的理由：_________________________________________________________________________。 答案：(1)＜　(2)＝ (3)N2价廉易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂表面的吸附分解是决速步骤，N2适度过量有利于提高整体反应速率 1．（2025·河南名校联考）下列做法与工业生产实际不相符的是(　　) A．合成氨时压强不是越大越好，需综合考虑对设备和动力的要求 B．其他条件不变，及时分离出NH3，会降低NH3的产率 C．合成氨选择温度时需考虑对催化剂活性的影响 D．冶炼铝时常向氧化铝中添加适量冰晶石作助熔剂 答案：B。 2．（2025·天津河西区高二期中）合成氨工业中采用了物质循环操作，主要的目的是(　　) A．降低氨的沸点 B．增大化学反应速率 C．提高N2和H2的利用率 D．提高平衡混合物中氨的含量 解析：选C。合成氨的反应是N2＋3H2⥫⥬2NH3，该反应是可逆反应，反应物只能部分转化成氨气，通过采用循环操作，大大提高了原料氮气、氢气的利用率。 3．（2025·河北石家庄四十三中期中）接触法制硫酸的核心反应是SO2在接触室中被催化氧化为SO3，已知该反应为放热反应。常压下，将2 mol SO2和1 mol O2充入一恒容密闭容器，充分反应后，放出热量a kJ，此时测得SO2的转化率为90%，下列说法正确的是(　　) A．2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)　ΔH＝－a kJ/mol B．根据勒夏特列原理，催化氧化时选用450～500 ℃的反应温度 C．该反应在实际生产中提高氧气用量有利于提高SO2转化率 D．该反应在实际生产中使用高压条件有利于提高反应物转化率 解析：选C。SO2的转化率为90%，则消耗的SO2为2 mol×90%＝1.8 mol，则2 mol SO2完全反应放出a kJ热量，热化学方程式为2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)　ΔH＝－a kJ/mol，A错误；工业上选择温度450～500 ℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳和加快反应速率，催化剂不会影响平衡移动，且升温平衡逆向移动，B错误；实际生产中提高O2用量，反应物浓度增大，反应速率加快，平衡正向移动，从而提高SO2转化率，C正确；增大压强该反应平衡正向移动，但常压下SO2的转化率已经很高了，增大压强，会增加设备成本，实际生产中，采用常压条件，D错误。 4．（2025·山东济南重点高中联考）电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*表示，下列说法不正确的是(　　 ) A．N2生成NH3是通过多步还原反应实现的 B．两个氮原子上的加氢过程同时进行 C．析氢反应(H*＋H*―→H2)会影响NH3的生成 D．NH3的及时脱附有利于提高催化剂活性 解析：选B。由图可知，加氢过程是分步进行的(*N2→*NNH→*NHNH……)，B错误；析氢反应(H*＋H*―→H2)会导致NH3中H不足，从而影响NH3的生成，C正确；NH3的及时脱附，能够增加催化剂与反应物的接触面积，即有利于增加催化剂活性，D正确。 5．（2025·北京高二期中）合成氨是人类科技发展史上的一项重大突破。 (1)在一定条件下，N2(g)和H2(g)反应生成0.2 mol NH3(g)，放出9.24 kJ的热量，写出该可逆反应的热化学方程式：________________________________________________________________________。 从平衡视角合成氨应该选择常温条件，但实际工业生产却选择500 ℃左右的高温，可能的原因是　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。 (2)将N2和H2通入体积为2 L的恒温恒容密闭容器中，5 min后达到化学平衡，测得NH3的浓度为0.2 mol/L，这段时间内用N2的浓度变化表示的化学反应速率为　　　　　 　。 (3)理论上，为了增大平衡时H2的转化率，可采取的措施是　　　　　　　　　　（写出一条）。 (4)如图是某压强下N2和H2按物质的量之比1∶3投料进行反应，反应混合物中NH3的物质的量分数随温度的变化曲线。Ⅰ是平衡时的曲线，Ⅱ是不同温度下反应经过相同时间测得的曲线，下列说法正确的是　　　　 　。 A．图中a点，容器内n(N2)∶n(NH3)＝1∶4 B．图中b点，v正<v逆 C．400～530 ℃，Ⅱ中NH3的物质的量分数随温度升高而增大，原因是升温化学反应速率加快 解析：(2)平衡时NH3的浓度为0.2 mol/L，这段时间内N2的浓度变化为0.1 mol/L，用N2表示的化学反应速率为＝0.02 mol/(L·min)。(4)某压强下N2和H2按物质的量之比1∶3投料进行反应，得三段式： 　　 　N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) 起始/mol 1 3 0 转化/mol a 3a 2a 平衡/mol 1－a 3－3a 2a 图中a点，氨气含量为50%，则×100%＝50%，a＝mol，则容器内n(N2)∶n(NH3)＝（1－）∶（2×）＝1∶4，A正确；图中b点，NH3的物质的量分数比同温度平衡时的小，说明平衡正向进行，则v正>v逆，B错误；Ⅱ是不同温度下反应经过相同时间测得的曲线，升高温度化学反应速率增大，导致400～530 ℃Ⅱ中NH3的物质的量分数随温度升高而增大，C正确。 答案：(1)N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol　从反应速率角度考虑，500 ℃高温反应速率更快，且从催化剂活性等综合因素考虑，选择500 ℃左右合适　(2)0.02 mol/(L·min)　(3)降温、增大压强、及时分离出NH3（任答一条即可）　(4)AC 学科网（北京）股份有限公司 $