第四节 化学反应的调控（举一反三专项训练，广东专用）【上好课】化学人教版选择性必修1

第四节 化学反应的调控 题型01 合成氨反应原理的分析 题型02 工业合成氨适宜的条件 题型03 合成氨反应图像分析 题型04 工业生产中适宜生产条件的选择 题型01 合成氨反应原理的分析 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。 【典例1】（24-25高二上·广东广州·期末）工业合成氨的反应为　。如图表示反应速率(v)与时间(t)的关系。下列说法正确的是 A．时刻改变的条件是扩大容器体积 B．时刻后的平衡转化率减小 C．合成氨工业中采用循环操作，主要是为了提高平衡时混合物中氨的含量 D．某温度下恒容密闭容器中充入和进行反应(起始浓度分别为0.20 和0.50 )，达平衡时的转化率为50%，则该温度下此反应平衡常数K=50 【答案】D 【详解】A．扩大容器体积即减小压强，正逆反应速率均减小，且该反应为气体分子数减少的反应，减压平衡逆向移动，则时刻，A项错误； B．时刻后，说明平衡未移动，的平衡转化率不变，B项错误； C．合成氨工业循环操作是为了提高原料和的利用率，C项错误； D．起始浓度0.20 mol/L，转化率50%，则反应的为0.10 mol/L，平衡时=0.10 mol/L，=0.20 mol/L，=0.20 mol/L，则，D项正确； 答案选D。 【变式1-1】（24-25高二上·广东茂名·期中）下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．合成氨工业温度选择为左右，主要是为了提高产率 B．合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度 C．合成氨生产过程中将液化分离，不能提高反应物的转化率 D．使用催化剂和施加高压，都提高反应速率是因为都增大活化分子百分数 【答案】B 【详解】A．合成氨反应为放热反应，高温会降低NH3产率，选择450~500℃主要是为了加快反应速率，故A错误； B．合成氨生产过程中，增加氮气浓度会使平衡正向移动，从而提高氢气的转化率，故B正确； C．合成氨生产过程中将NH3液化分离会减少生成物浓度，促使平衡正向移动，提高反应物转化率，故C错误； D．催化剂通过增大活化分子百分数提高速率，高压通过增大浓度提高速率，活化分子百分数不变，故D错误； 选B。 【变式1-2】（25-26高二上·广东东莞·月考）下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 C．步骤③、④均有利于提高原料的平衡转化率 D．步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 【答案】A 【详解】A．工业合成氨的原料气中可能含有硫化物等杂质，这些杂质会导致铁触媒中毒失去活性，步骤①中“净化”是除去杂质以防止催化剂中毒，A正确； B．催化剂的活性受温度影响，一定温度范围内，催化剂活性最佳，温度过高会导致催化剂活性下降甚至失活，并非温度越高活性越大，B错误； C．步骤③中催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，步骤④液化分离出氨气可以使平衡正向移动，可提高原料平衡转化率，C错误； D．合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，D错误； 故选A。 【变式1-3】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。 题型02 工业合成氨适宜的条件 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 （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。 【典例2】（25-26高二上·广东广州·阶段练习）下列事实不能用平衡移动原理解释的是 A．对 的平衡体系升高温度，平衡常数K减小 B．制备乙酸乙酯的实验中将酯蒸出 C．工业合成氨选择500℃左右的条件进行 D．工业合成氨选择10MPa-30MPa的条件进行 【答案】C 【详解】A．升高温度导致平衡常数K减小，说明反应逆向移动，符合温度对平衡的影响，能用平衡移动原理解释，A不符合题意； B．蒸出乙酸乙酯减少产物浓度，促使平衡正向移动，利用浓度变化影响平衡，B不符合题意； C．合成氨为放热反应，高温不利于平衡正向移动，但工业选择500℃是为了提高反应速率和催化剂活性，而非平衡移动，C符合题意； D．合成氨是气体体积减小的反应，高压条件促使平衡向气体体积减小的正反应方向移动，符合压强对平衡的影响，D不符合题意； 故选C。 【变式2-1】（25-26高二上·广东揭阳·阶段练习）下列关于工业合成的陈述Ⅱ和Ⅰ中，不存在因果对应关系的是 选项 陈述Ⅰ 陈述Ⅱ A 用铁触媒做催化剂 铁触媒催化剂可使反应正向移动，增大平衡时氨气产率 B 温度为400℃～500℃ 催化剂铁触媒的活性在500℃左右最大 C 压强为10 MPa～30 MPa 较高的压强即可加快速率同时增大反应物平衡转化率，但压强过高会降低效益 D 将反应后混合气液化分离出氨气，剩余的和循环利用 提高和的利用率 A．A B．B C．C D．D 【答案】A 【详解】A．催化剂（铁触媒）仅加快正、逆反应速率，使系统更快达到平衡，但不会改变平衡状态，因此无法提高平衡时氨的产率，陈述Ⅱ错误，因果关系不成立，A正确； B．400℃～500℃的温度范围是为了让铁触媒保持较高活性（500℃时活性最大），陈述Ⅱ正确，解释了温度选择的原因，因果关系成立，B错误； C．合成氨是气体体积减小的反应，高压既加快反应速率又推动平衡右移，但过高压强会增加成本，陈述Ⅱ正确，因果关系成立，C错误； D．分离氨后循环利用未反应的和，直接提高原料利用率，陈述Ⅱ正确，因果关系成立，D错误； 故答案为A。 【变式2-2】（24-25高二上·广东高州·期末）下列事实能用平衡移动原理解释的是 A．N2 (g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，合成氨工业生产选择高温反应条件 B．将饱和FeCl3溶液滴入沸水中可制备Fe(OH)3胶体 C．压缩注射器中的NO2、N2O4混合气体，颜色立即变深 D．向H2O2溶液中加入少量CuSO4固体，迅速产生大量气泡 【答案】B 【详解】A．反应N2 (g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH<0为放热反应，合成氨工业生产选择高温的目的是催化剂活性最强，反应速率快，A不符合题意； B．FeCl3+3H2O⇋Fe(OH)3+3HCl，升高温度促进水解，可以制备胶体，将饱和FeCl3溶液滴入沸水中可制备Fe(OH)3胶体，B符合题意； C．2NO2⇋N2O4，压缩注射器中的NO2、N2O4混合气体，平衡正向移动，颜色变深由于NO2浓度变大造成，C不符合题意； D．向H2O2溶液中加入少量CuSO4固体，CuSO4对H2O2的分解起催化剂作用，迅速产生大量气泡，和平衡移动无关，D不符合题意； 答案选B。 【变式2-3】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 【详解】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。 题型03 工业合成氨反应图像分析 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。 【典例3】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 【详解】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。 【变式3-1】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 【详解】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，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。 【变式3-2】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 【详解】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。 【变式3-3】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 【详解】　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。 题型04 工业生产中适宜条件的选择 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 【典例4】（24-25高二上·广东韶关·期中）在硫酸工业中，通过如下反应使SO2转化为SO3：，在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率如下表所示。则：SO2发生催化氧化反应适宜的温度和压强分别是 温度/℃ 不同压强下的转化率/% 0.1 MPa 0.5MPa l 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．450℃  5 MPa B．550℃   5MPa C．550℃   10 MPa D．450℃   0.1 MPa 【答案】D 【详解】分析表中数据可以看出，相同压强下，450℃时SO2的转化率高于550℃；虽然压强越大，SO2的转化率越大，但转化率增大幅度不大，且压强大，对设备的要求高，消耗的动力大，成本增加，所以应选择450℃、0.1 MPa，故选D。 【变式4-1】（24-25高二上·广东佛山·期中）在硫酸工业中，通过下列反应使氧化为：  。下表列出了恒容刚性容器中，在不同温度和压强下，反应达到平衡时的转化率。下列说法错误的是 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 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．为了增大的转化率，可以控制与的投料比大于2 B．在到达平衡时充入He增大压强，不能增大转化率 C．该反应的正反应方向是放热反应 D．在实际生产中，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 【答案】A 【详解】A．增加一种反应物的浓度，可以提高另一种反应物的转化率，故控制二氧化硫和氧气的投料比小于2可以增大二氧化硫的转化率，A符合题意； B．容器为恒容刚性容器，充入与反应无关的气体，反应相关的气体的浓度不变，转化率不变，B不符合题意； C．由表知：相同压强时，温度高时二氧化硫的转化率小，则升温平衡左移，该反应的正反应方向是放热反应，C不符合题意； D．结合选项C可知，高温不利于三氧化硫生成，在实际生产中，考虑到综合经济效益，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳，D不符合题意； 故选A。 【变式4-2】（24-25高二上·广东广州·期中）含氮化合物在现代工业、环境治理中有重要地位。请回答下列有关问题： (1)用CH4催化还原氮氧化物可以消除氢氧化物的污染。已知： ①CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)    ΔH=-574kJ/mol ②CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)    ΔH=-1160kJ/mol ③H2O(g)=H2O(l)      ΔH=-44kJ/mol 写出CH4(g)与反应生成N2(g)、CO2 (g)和H2O(l)的热化学方程式 。 (2)不同催化剂下合成氨反应的历程如下图，吸附在催化剂表面的物种用“*”表示。由图可知，使用催化剂A时，决速步骤的产物是 。合成氨工业上采取了10-30个大气压，400-500℃的高温环境，请从速率或平衡的角度解释原因 。 (3)氨气是工业制取硝酸的重要原料，过程中有以下两个竞争反应I、II。 反应I：  ΔH1=-905.0kJ/mol 反应II：   ΔH2=-1268kJ/mol 为分析某催化剂对该反应的选择性，将1molNH3和2molO2充入2L密闭容器中，在不同温度，相同时何下，测得有关物质的量关系如图所示。 ①该催化剂在低温时对反应 (填“I”或“II”)的选择性更好。 ②520℃时，反应II：4NH3的平衡常数K= (只需列出有具体数字的计算式，不要求计算出结果)。 ③高于840℃时，NO的产率降低的可能原因是 。 A．NH3溶于水　　　　　　　　　 B．反应活化能增大 C．反应I的平衡常数变小　　　　　D．催化剂活性降低 (4)NH3也是造成水体富营养化的重要原因之一，用NaClO溶液氧化可除去氨。为了提高氨的去除率，在实际工艺过程中温度控制在15℃~30℃时，请分析选择这个温度范围的原因是 。 【答案】(1)CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-955kJ/mol (2) *NNH 要使平衡向正反应方向移动，应降低温度、增大压强；压强越大越好，但考虑成本压强选择10-30个大气压；温度过低反应速率过小，不利于工业生成效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大；400-500℃左右时催化剂的活性最大，所以选择采用500℃左右的温度进行； (3) II CD (4)温度过低，反应速率慢，不利于快速去除；温度过高，会促进HClO的分解，导致NaClO的利用率低 【详解】（1）用催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。 已知：① ② ③ 根据盖斯定律：(①+②)+③×2得CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l)ΔH=(-574-1160)kJ/mol-44kJ/mol×2=-955kJ/mol，与反应生成、和的热化学方程式CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-955kJ/mol。故答案为：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-955kJ/mol； （2）由图可知，使用催化剂A时，第二步反应活化能最大，决定总反应速率的步骤是第二步，第二步步骤的产物是*NNH；要使平衡向正反应方向移动，应降低温度、增大压强，压强越大越好，但考虑成本压强选择10-30个大气压；温度过低反应速率过小，不利于工业生成效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大；400-500℃左右时催化剂的活性最大，所以选择采用500℃左右的温度进行； （3）①该催化剂在低温时主要生成氮气，对反应II的选择性更好。故答案为：II； ②520℃时，N2和NO各0.2mol，反应I消耗0.2molNH3、0.25molO2、生成0.3molH2O，反应II：，密闭容器是2L，故的平衡常数K=。故答案为：； ③A．高于840℃时，水为气体，也为气体，故A不符； B．对于同一反应，反应活化能不随温度改变，故B不符； C．反应I是放热反应，升高温度，平衡常数变小，故C符合； D．催化剂活性降低，反应速率降低，NO的产率降低，故D符合； 故答案为：CD； （4）也是造成水体富营养化的重要原因之一，用NaClO溶液氧化可除去氨。为了提高氨的去除率，在实际工艺过程中温度控制在15℃~30℃时，其可能的原因是温度过低，反应速率慢，不利于快速去除；温度过高，会促进HClO的分解，导致NaClO的利用率低。故答案为：温度过低，反应速率慢，不利于快速去除；温度过高，会促进HClO的分解，导致NaClO的利用率低。 【变式4-3】（24-25高二上·广东广州·期末）合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，这是化学和技术对社会发展与进少的巨大贡献，为此曾三次获得诺贝尔化学奖。其反应原理为 N2(g)+ 3H2(g) ⇌2NH3(g) △H =- 92.4 kJ/mol (1)合成氨生产需要制取氢气，下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一： CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g) △H=-41.2 kJ/mol 生产中，欲提高CO的转化率，同时提高H2的产率、可采取的排施是 (填编号) a.降低温度        b.增大H2O(g)浓度 c.加入催化剂        d.增加压强 在容积不变的密闭容器中，将2.0 mol CO与10 mol H2O混合加热到830℃，达到平衡，此时该反应的K为1.0.达到平衡时CO转化为CO2的转化率为 。 (2)起始反应物N2和H2体积比为1∶3，在不同压强和温度下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中NH3的含量(体积分数)如下表： 温度/℃ NH3的含最/% 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 400 25.1 38.2 47.0 65.2 500 10.6 19.1 26.4 42.0 600 4.5 9.10 13.8 23.1 下列说法正确的是 (填编号)。 A．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4 kJ B．反应达到平衡时，N2和H2的转化实之比为1∶3 C．400℃，60MPa下反应达到平衡时，生成的NH3体积分数最多 D．降低温度、增大压强有利于提高平衡混合物中NH3的含量 (3)下图表示 500℃、60MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据，N2的平衡体积分数为 【答案】 ab 83.3% CD 14.5% 【分析】（1）对于反应CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g)   △H=-41.2 kJ/mol，是气体体积不变的放热反应，降低温度，平衡正移，增大压强，平衡不移动； 利用三段式列出平衡时的浓度，再根据，计算可得CO的转化率； 【详解】（1）a．降低温度，反应向正向移动，CO的转化率增大，H2的产率提高，a选； b．增大H2O(g)浓度，反应向正向移动，消耗更多的CO，CO的转化率增大，H2的产率提高，b选； c．加入催化剂，只影响反应速率，不影响平衡移动，则CO的转化率不变，H2的产率不变，c不选； d．增加压强，反应体系的气体体积不变，则压强对平衡无影响，CO的转化率不变，H2的产率不变，d不选； 故选：ab； 设转化的CO的物质的量为x，列三段式：      在容积不变的密闭容器中，则数值上各气体的浓度等于物质的量，，解得x=1.66，则平衡时CO转化为CO2的转化率为； （2）A．合成氨反应N2(g)+ 3H2(g) ⇌2NH3(g)是可逆反应，反应达到平衡时，放出的热量均小于92.4 kJ，A错误； B．合成氨反应是可逆反应，反应达到平衡时，N2和H2的转化实之比小于1∶3，B错误 C．由表可知，NH3的含量最多的是65.2%，对应的条件是400℃，60MPa，C正确； D．N2(g)+ 3H2(g) ⇌2NH3(g)  △H =- 92.4 kJ/mol，该反应是气体体积减小的放热反应，则降低温度、增大压强平衡正向移动，有利于提高平衡混合物中NH3的含量，D正确； 故选CD。 （3）由图看出，H2、N2的物质的量之比为3时，平衡时NH3体积分数为42%，设N2的投入物质的量为1mol，转化xmol，列三段式：      体积不变的密闭容器中，平衡时体积分数即物质的量分数，则NH3体积分数，解得x=0.59，则N2的平衡体积分数。 1 / 2 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 $ 第四节 化学反应的调控 题型01 合成氨反应原理的分析 题型02 工业合成氨适宜的条件 题型03 合成氨反应图像分析 题型04 工业生产中适宜生产条件的选择 题型01 合成氨反应原理的分析 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____反应。 （3）体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积____的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是____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 ________ ________ 温度 ________ ________ 催化剂 ________ ________ 浓度 ________反应物浓度 ________反应物浓度，________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________温度、________压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是________温度、________压强。二者在________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。 【典例1】（24-25高二上·广东广州·期末）工业合成氨的反应为　。如图表示反应速率(v)与时间(t)的关系。下列说法正确的是 A．时刻改变的条件是扩大容器体积 B．时刻后的平衡转化率减小 C．合成氨工业中采用循环操作，主要是为了提高平衡时混合物中氨的含量 D．某温度下恒容密闭容器中充入和进行反应(起始浓度分别为0.20 和0.50 )，达平衡时的转化率为50%，则该温度下此反应平衡常数K=50 【变式1-1】（24-25高二上·广东茂名·期中）下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．合成氨工业温度选择为左右，主要是为了提高产率 B．合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度 C．合成氨生产过程中将液化分离，不能提高反应物的转化率 D．使用催化剂和施加高压，都提高反应速率是因为都增大活化分子百分数 【变式1-2】（25-26高二上·广东东莞·月考）下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 C．步骤③、④均有利于提高原料的平衡转化率 D．步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 【变式1-3】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 题型02 工业合成氨适宜的条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 ________ MPa 温度 ________ ℃ 催化剂 使用________作催化剂 浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体________；及时________ （1）压强 ①原理分析：________________。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为________。 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：________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________。 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________________________。 （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________。 ②采取的措施：采取________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________，并及时________________，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________________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________，又提高了反应________，有利于合成氨反应。 【典例2】（25-26高二上·广东广州·阶段练习）下列事实不能用平衡移动原理解释的是 A．对 的平衡体系升高温度，平衡常数K减小 B．制备乙酸乙酯的实验中将酯蒸出 C．工业合成氨选择500℃左右的条件进行 D．工业合成氨选择10MPa-30MPa的条件进行 【变式2-1】（25-26高二上·广东揭阳·阶段练习）下列关于工业合成的陈述Ⅱ和Ⅰ中，不存在因果对应关系的是 选项 陈述Ⅰ 陈述Ⅱ A 用铁触媒做催化剂 铁触媒催化剂可使反应正向移动，增大平衡时氨气产率 B 温度为400℃～500℃ 催化剂铁触媒的活性在500℃左右最大 C 压强为10 MPa～30 MPa 较高的压强即可加快速率同时增大反应物平衡转化率，但压强过高会降低效益 D 将反应后混合气液化分离出氨气，剩余的和循环利用 提高和的利用率 A．A B．B C．C D．D 【变式2-2】（24-25高二上·广东高州·期末）下列事实能用平衡移动原理解释的是 A．N2 (g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，合成氨工业生产选择高温反应条件 B．将饱和FeCl3溶液滴入沸水中可制备Fe(OH)3胶体 C．压缩注射器中的NO2、N2O4混合气体，颜色立即变深 D．向H2O2溶液中加入少量CuSO4固体，迅速产生大量气泡 【变式2-3】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 题型03 工业合成氨反应图像分析 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。 【典例3】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 【变式3-1】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 【变式3-2】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 【变式3-3】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 题型04 工业生产中适宜条件的选择 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________，又不能太________ 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___性，又要注意二者影响的______性 从原料的利用率分析 增加________原料，提高________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________对催化剂的活性的限制 【典例4】（24-25高二上·广东韶关·期中）在硫酸工业中，通过如下反应使SO2转化为SO3：，在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率如下表所示。则：SO2发生催化氧化反应适宜的温度和压强分别是 温度/℃ 不同压强下的转化率/% 0.1 MPa 0.5MPa l 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．450℃  5 MPa B．550℃   5MPa C．550℃   10 MPa D．450℃   0.1 MPa 【变式4-1】（24-25高二上·广东佛山·期中）在硫酸工业中，通过下列反应使氧化为：  。下表列出了恒容刚性容器中，在不同温度和压强下，反应达到平衡时的转化率。下列说法错误的是 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 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．为了增大的转化率，可以控制与的投料比大于2 B．在到达平衡时充入He增大压强，不能增大转化率 C．该反应的正反应方向是放热反应 D．在实际生产中，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 【变式4-2】（24-25高二上·广东广州·期中）含氮化合物在现代工业、环境治理中有重要地位。请回答下列有关问题： (1)用CH4催化还原氮氧化物可以消除氢氧化物的污染。已知： ①CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)    ΔH=-574kJ/mol ②CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)    ΔH=-1160kJ/mol ③H2O(g)=H2O(l)      ΔH=-44kJ/mol 写出CH4(g)与反应生成N2(g)、CO2 (g)和H2O(l)的热化学方程式 。 (2)不同催化剂下合成氨反应的历程如下图，吸附在催化剂表面的物种用“*”表示。由图可知，使用催化剂A时，决速步骤的产物是 。合成氨工业上采取了10-30个大气压，400-500℃的高温环境，请从速率或平衡的角度解释原因 。 (3)氨气是工业制取硝酸的重要原料，过程中有以下两个竞争反应I、II。 反应I：  ΔH1=-905.0kJ/mol 反应II：   ΔH2=-1268kJ/mol 为分析某催化剂对该反应的选择性，将1molNH3和2molO2充入2L密闭容器中，在不同温度，相同时何下，测得有关物质的量关系如图所示。 ①该催化剂在低温时对反应 (填“I”或“II”)的选择性更好。 ②520℃时，反应II：4NH3的平衡常数K= (只需列出有具体数字的计算式，不要求计算出结果)。 ③高于840℃时，NO的产率降低的可能原因是 。 A．NH3溶于水　　　　　　　　　 B．反应活化能增大 C．反应I的平衡常数变小　　　　　D．催化剂活性降低 (4)NH3也是造成水体富营养化的重要原因之一，用NaClO溶液氧化可除去氨。为了提高氨的去除率，在实际工艺过程中温度控制在15℃~30℃时，请分析选择这个温度范围的原因是 。 【变式4-3】（24-25高二上·广东广州·期末）合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，这是化学和技术对社会发展与进少的巨大贡献，为此曾三次获得诺贝尔化学奖。其反应原理为 N2(g)+ 3H2(g) ⇌2NH3(g) △H =- 92.4 kJ/mol (1)合成氨生产需要制取氢气，下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一： CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g) △H=-41.2 kJ/mol 生产中，欲提高CO的转化率，同时提高H2的产率、可采取的排施是 (填编号) a.降低温度        b.增大H2O(g)浓度 c.加入催化剂        d.增加压强 在容积不变的密闭容器中，将2.0 mol CO与10 mol H2O混合加热到830℃，达到平衡，此时该反应的K为1.0.达到平衡时CO转化为CO2的转化率为 。 (2)起始反应物N2和H2体积比为1∶3，在不同压强和温度下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中NH3的含量(体积分数)如下表： 温度/℃ NH3的含最/% 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 400 25.1 38.2 47.0 65.2 500 10.6 19.1 26.4 42.0 600 4.5 9.10 13.8 23.1 下列说法正确的是 (填编号)。 A．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4 kJ B．反应达到平衡时，N2和H2的转化实之比为1∶3 C．400℃，60MPa下反应达到平衡时，生成的NH3体积分数最多 D．降低温度、增大压强有利于提高平衡混合物中NH3的含量 (3)下图表示 500℃、60MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据，N2的平衡体积分数为 1 / 2 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 $