第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨（暑假预习讲义）新高二化学鲁科版

第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨 内容导航 01 预习航标 → 析目标·明方向：预习导航精准定向 02 教材全解 → 析教材·学新知：情境概念深度构 情境启思：从生活或问题出发，激发兴趣 深研精炼：聚焦常考要点，学会解题思路 即练固基：趁热打铁练一练，巩固刚学内容 03过关检测 → 练考点·强落实：过关检测分层提 预习目标 1. 结合合成氨工业实例，理解反应条件优化的意义，建立工业合成氨的整体认知。 2.从反应速率、化学平衡角度，分析温度、压强、催化剂等条件对合成氨反应的影响。 3.认识合成氨工业的生产流程，理解条件选择的矛盾与平衡，体会化学理论在工业生产中的应用价值。 预习重点 1. 合成氨反应的特点：可逆、放热、气体分子数减少，及各条件对速率和平衡的双重影响。 2.温度、压强、催化剂的选择逻辑：兼顾反应速率、平衡转化率与工业成本、设备条件。 3.合成氨工业的核心流程（原料制备、净化、合成、氨分离）及关键环节的优化思路。 预习难点 1.理解合成氨条件选择的 “矛盾性”，如高温利于速率却不利于平衡，需综合多因素选择。 2.催化剂在合成氨中的作用：加快反应速率、降低活化能，但不影响平衡转化率。 3.从工业生产实际出发，结合速率、平衡、成本、安全等维度，综合分析最优条件的确定逻辑。 情｜境｜启｜思 粮食是人类生存的根本，而氮肥是粮食增产的关键。20 世纪初，科学家哈伯攻克了工业合成氨的难题，才让化肥大规模生产成为可能，养活了全球数十亿人口。但这个反应并不简单：它需要高压、高温，还要靠催化剂 “帮忙”，条件差一点都不行。为什么要这样选条件？温度高了平衡会逆向移动，压强高了设备又扛不住，怎么在矛盾中找到最优解？今天，我们就一起走进合成氨工厂，从温度、压强、催化剂到完整流程，看看化学家是如何一步步优化反应条件，让氮气和氢气高效变成氨的。 深｜研｜精｜炼 知识点01 合成氨反应的限度 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 (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。 【特别提醒】合成氨是可逆、放热、气体分子数减少的反应，其限度受温度、压强影响：低温、高压有利于提高平衡时氨的含量，但低温反应速率过慢，高压对设备要求极高。工业上通过控制反应条件、循环利用原料气、及时分离氨气，来突破平衡限制，提高原料利用率。注意：催化剂只能改变反应速率，不影响反应限度，无法改变平衡时氨的含量。 【例1】中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应流程如图所示。下列说法错误的是 A．净化的目的是为了除去原料气中的杂质气体，防止催化剂中毒 B．理论上合成塔中增加充入的的量，可提高的转化率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、高压的条件提高氨产率 【即练1】下列说法错误的是 A．合成氨工业中采用循环操作，可以提高原料的利用率 B．平衡向右移动时，化学平衡常数K不一定变化 C．增大气态反应物的浓度，增加活化分子百分数，化学反应速率加快 D．反应  在低温条件下可自发进行 【即练2】工业合成氨不仅解决了粮食问题，还为工业、国防和能源领域提供了关键支撑。合成氨的流程图如下，已知，，下列说法正确的是 A．步骤①的目的是为了防止混入杂质使催化剂中毒 B．步骤②中“加压”不仅可以提高原料的转化率，还加快反应速率，所以生产中压强越大越好 C．步骤④中反应温度提高至800℃，反应速率加快且催化剂的活性更高 D．步骤④⑤⑥均有利于提高原料的平衡转化率 知识点02 合成氨反应的速率 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】合成氨反应速率受温度、压强、催化剂影响：升温、加压、加催化剂均可加快反应。工业上选用铁触媒催化剂，大幅降低活化能，显著提升反应速率；温度兼顾速率与平衡，压强需综合设备成本与速率效果，不可单看速率选条件 【例2】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。回答下列问题： (1)合成氨工业中采用循环操作，主要是为了______（填字母）。 A．增大化学反应速率 B．提高氮气和氢气的利用率 C．降低氨的沸点 D．提高平衡混合物中氨的含量 (2)在密闭容器中通入和，若在一定条件下反应达到平衡状态，容器中剩余。 ①达到平衡时，的转化率为______。 ②若把容器的体积扩大一倍，则正反应速率______（填“增大”“减小”或“不变”，下同），逆反应速率______，的转化率______。 (3)研究发现铁催化剂表面上合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在铁催化剂表面上的微粒用标注。 该反应历程中最大活化能对应步骤的化学方程式为______。合成氨反应：的______ （用图中字母表示）。 【即练3】合成氨是人类科学技术上的一项重大突破。 (1)已知相关数据如下： 化学键 键能 436.0 946.0 391.2 反应：  _______，_______0。(填“>”“＜”或“=”) (2)工业合成氨流程示意图如图： ①下列有关说法正确的是_______。 A．原料气干燥净化的核心目的是制得更高纯度的 B．设备是对原料气进行加压，目的是加快反应速率，提高反应物转化率 C．热交换器的主要作用是降低反应体系温度，使合成氨反应平衡正向移动 D．物质是液氨 ②用碰撞理论解释，工业上为什么通常在而非常温下进行合成氨反应_______。 (3)是工业制备硝酸的重要原料，其中的重要步骤有氧化反应：。该反应机理如下。 第一步(快速平衡)   第二步(慢反应)   ①第_______步反应是反应的决速步骤。 ②请在下列坐标系中补充完整：的反应过程-能量示意图_______。 ③实验发现，当其他条件相同，升高温度时，与反应生成的速率反而减慢，请结合反应机理加以解释。_______。 【即练4】合成氨工业在20世纪初期形成，随着科学技术的发展，对氨的需求量日益增长。现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。 (1)工业合成氨的简易流程如下： ①循环I可以利用的物质是______（填字母）。 A．催化剂    B．    C．    D．和 ②合成氨采用左右的温度，其原因是______（填字母）。 a．提高的平衡转化率 b．适当提高氨气的合成速率 c．催化剂在左右时活性最大 ③结合速率、平衡、成本等因素，阐述合成氨采用的原因：______。 ④原料气体在进入合成塔前，必须经过净化，该流程的目的是______。 (2)合成氨工业涉及固体燃料的气化，需要研究与CO之间的转化。将一定量的与足量碳在体积可变的密闭容器中反应：，测得压强、温度对CO的平衡组成的影响如图所示，则、、由小到大的关系是______，欲提高C与反应中的平衡转化率，可以采取的措施为______（任写一条）。图中、、三点对应的平衡常数（，，）大小关系是______。 知识点03 合成氨生产的适宜条件及优化 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_________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______出去，同时______N2、H2 (3)合成氨的生产流程的三阶段 反应条件的优化 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 【特别提醒】合成氨反应速率受温度、压强、催化剂影响：升温、加压、加催化剂均可加快反应。工业上选用铁触媒催化剂，大幅降低活化能，显著提升反应速率；温度兼顾速率与平衡，压强需综合设备成本与速率效果，不可单看速率选条件 【例3】下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．液态除可生产化肥外，还可作制冷剂 【即练5】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图如下。 下列有关合成氨说法正确的是 A．从合成氨平衡体系中分离出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 B．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 C．合成氨一般选择进行，铁触媒的活性最大，原料气平衡转化率高 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 【即练6】合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，至今有三位科学家因在该领域的研究获诺贝尔奖。合成氨的反应为：。请回答下列问题： (1)该反应的化学平衡常数表达式_______。 (2)某温度时，将和按一定比例充入恒容容器中，平衡后测得数据如下表： 物质 平衡时各物质 的物质的量 2.00 5.00 1.00 ①该反应可以在_______(填“高温”、“低温”或“任意温度”)条件下自发进行。 ②该温度下，若平衡后，再向平衡体系中加入、和各，此时反应向_______方向(填“正反应”或“逆反应”)进行，结合计算说明理由：_______。 (3)实验测得在某反应容器中充入、，不同温度下分别达到平衡时，混合气中的体积分数随压强变化的曲线如下图所示。 ①温度、、大小关系是_______。 ②点混合气中的体积分数是_______。 ③实际生产中，为提高的转化率，可以采取的措施是_______(至少写两条措施)。 1．氨既是一种重要的化工产品，又是一种重要的化工原料。下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。下列叙述错误的是 A．A可以为空气 B．尾气可用碱液处理(必要时可配合通空气) C．氧化炉发生的主反应中，(还原剂)(氧化剂) D．合成塔中的温度越高越有利于反应进行 2．在催化剂作用下，某可逆反应的反应历程如图所示。下列说法正确的是 A．反应物的总能量小于生成物的总能量 B．反应i→ii的速率大于反应ii→iii的速率 C．使用催化剂可提高活化分子百分数 D．升高温度可提高反应物的平衡转化率 3．在容积一定的密闭容器中，置入一定量的一氧化氮和足量碳发生化学反应：，平衡时与温度的关系如图所示，则下列说法正确的是 A．在时，若反应体系处于状态D，则此时反应速率： B．若该反应在、时的平衡常数分别为、，则 C．该反应的 D．若状态B、C、D的压强分别为、、，则 4．中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A．合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B．使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 5．工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：，在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是 A．增大压强，甲醇转化率减小 B．点反应速率 C．平衡常数：，反应速率： D．生产时反应温度控制在为宜 6．下列事实中，能用勒夏特列原理解释的是 A．铁钉放入冷的浓中，待不再变化后，加热能产生大量红棕色气体 B．工业制取钾，选取合适的温度，使K变成蒸气从体系逸出 C．合成氨（）工业中，采用400~500℃的高温条件利于氨气的生成 D．、、平衡混合气体加压后颜色变深 7．合成氨是人工固氮最重要的途径，反应为：  。回答下列问题： (1)下列关于合成氨工艺的说法中，正确的是___________(填字母)。 A．控制温度远高于室温，是为了提高平衡转化率 B．原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 C．不断将液氨移除，利于反应正向进行，同时提高逆反应速率 D．实际生产中，N2适度过量有利于提高H2的转化率，同时有利于提高整体反应速率 (2)为降低合成氨的能耗，我国科学家提出使用M-LiH复合催化剂，催化效果如图1所示，若一定压强下，以相同的投料，350℃用Cr-LiH作催化剂、500℃用Fe作催化剂和350℃用Fe-LiH作催化剂，氨气的产率随时间变化如图2所示，350℃用Cr-LiH作催化剂的曲线是___________(填“a”“b”或“c”)，理由是___________。 (3)压强为20MPa下，以、进料，反应达平衡时氮气的转化率与温度的关系如图3中曲线b所示。 ①若保持压强不变，以、、进料，则平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线___________(填“a”或“c”)，判断依据是___________。 ②已知：反应，，其中、、分别表示、、的分压。若保持压强不变，仍以、进料，达平衡时NH3的物质的量分数为0.20，则该温度下，反应平衡常数___________(化为最简式)。 8．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中的含量(体积分数)[投料]如下表： 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)比较和时的数据，可判断升高温度，平衡向___________(选填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为___________(选填“吸热”或“放热”)反应。 (2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是___________。 A．高温高压 B．高温低压 C．低温高压 D．低温低压 (3) 时的转化率为___________。 (4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：___________。 9．近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题： (1)Deacon发明的直接氧化法为：222下图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)：c(O2)分别等于1：1、4：1、7：1时HCl平衡转化率随温度变化的关系： ①反应平衡常数：K(300℃)_______K(400℃)(选填“大于”或“小于”)。 ②设HCl初始浓度为C0，根据进料浓度比(O2)的数据计算出时O2的平衡转化率等于_______。 ③按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)：c(O2)过低的不利影响是_______。 (2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行： ①l-1 ②l-1 ③23-1 则④222的=_______-1。 (3)下列措施可以提高反应222中HCl的平衡转化率的是_______(填字母)。 a．增大HCl浓度    b．及时除去H2O(g)    c．增加反应体系压强    d．升高温度 10．在1.0L密闭容器中放入0.10molA(g)，在一定温度下进行如下反应：A(g)B(g)＋C(g)　ΔH=＋85.1kJ·mol-1。反应时间(t)与容器内气体总压强(p)的数据见下表： 时间t/h 0 1 2 4 8 16 20 25 30 总压强p/(×100kPa) 4.91 5.58 6.32 7.31 8.54 9.50 9.52 9.53 9.53 回答下列问题： (1)一定处于平衡状态的时间段是_____，由总压强p和起始压强p0计算反应物A的转化率的表达式为_____，计算平衡时A的转化率为_____(保留1位小数，下同)，反应的平衡常数K=_____。 (2)①由总压强p和起始压强p0表示反应体系的总物质的量n总和反应物A的物质的量n(A)，n总=_____mol，n(A)=_____mol。 ②下表为反应物A浓度与反应时间的数据，计算： 反应时间t/h 0 4 8 16 c(A)/(mol·L-1) 0.10 a 0.026 0.0065 a=_____。分析该反应中反应物的浓度c(A)变化与时间间隔(Δt)的规律，得出的结论是_____ ，由此规律推出反应在12h时反应物的浓度c(A)为_____ mol·L-1。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $ 第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨 内容导航 01 预习航标 → 析目标·明方向：预习导航精准定向 02 教材全解 → 析教材·学新知：情境概念深度构 情境启思：从生活或问题出发，激发兴趣 深研精炼：聚焦常考要点，学会解题思路 即练固基：趁热打铁练一练，巩固刚学内容 03过关检测 → 练考点·强落实：过关检测分层提 预习目标 1. 结合合成氨工业实例，理解反应条件优化的意义，建立工业合成氨的整体认知。 2.从反应速率、化学平衡角度，分析温度、压强、催化剂等条件对合成氨反应的影响。 3.认识合成氨工业的生产流程，理解条件选择的矛盾与平衡，体会化学理论在工业生产中的应用价值。 预习重点 1. 合成氨反应的特点：可逆、放热、气体分子数减少，及各条件对速率和平衡的双重影响。 2.温度、压强、催化剂的选择逻辑：兼顾反应速率、平衡转化率与工业成本、设备条件。 3.合成氨工业的核心流程（原料制备、净化、合成、氨分离）及关键环节的优化思路。 预习难点 1.理解合成氨条件选择的 “矛盾性”，如高温利于速率却不利于平衡，需综合多因素选择。 2.催化剂在合成氨中的作用：加快反应速率、降低活化能，但不影响平衡转化率。 3.从工业生产实际出发，结合速率、平衡、成本、安全等维度，综合分析最优条件的确定逻辑。 情｜境｜启｜思 粮食是人类生存的根本，而氮肥是粮食增产的关键。20 世纪初，科学家哈伯攻克了工业合成氨的难题，才让化肥大规模生产成为可能，养活了全球数十亿人口。但这个反应并不简单：它需要高压、高温，还要靠催化剂 “帮忙”，条件差一点都不行。为什么要这样选条件？温度高了平衡会逆向移动，压强高了设备又扛不住，怎么在矛盾中找到最优解？今天，我们就一起走进合成氨工厂，从温度、压强、催化剂到完整流程，看看化学家是如何一步步优化反应条件，让氮气和氢气高效变成氨的。 深｜研｜精｜炼 知识点01 合成氨反应的限度 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 (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。 【特别提醒】合成氨是可逆、放热、气体分子数减少的反应，其限度受温度、压强影响：低温、高压有利于提高平衡时氨的含量，但低温反应速率过慢，高压对设备要求极高。工业上通过控制反应条件、循环利用原料气、及时分离氨气，来突破平衡限制，提高原料利用率。注意：催化剂只能改变反应速率，不影响反应限度，无法改变平衡时氨的含量。 【例1】中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应流程如图所示。下列说法错误的是 A．净化的目的是为了除去原料气中的杂质气体，防止催化剂中毒 B．理论上合成塔中增加充入的的量，可提高的转化率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、高压的条件提高氨产率 【答案】D 【详解】A．原料气中含有CO等杂质气体，在净化过程中除去杂质气体可防止催化剂中毒，A正确； B．合成塔中增加的投加量相当于增大浓度，使平衡向正反应方向移动，提高转化率，B正确； C．及时分离出液氨相当于降低反应器内浓度，使平衡向正反应方向移动，提高原料的转化率和利用率，C正确； D．为提高合成氨的综合效益，实际生产中，通常采用适宜高温和适宜高压的条件，保证产率的同时提高反应速率，而非低温、高压条件，D错误； 故答案选D。 【即练1】下列说法错误的是 A．合成氨工业中采用循环操作，可以提高原料的利用率 B．平衡向右移动时，化学平衡常数K不一定变化 C．增大气态反应物的浓度，增加活化分子百分数，化学反应速率加快 D．反应  在低温条件下可自发进行 【答案】C 【详解】A．循环操作使未反应的原料重新参与反应，可提高原料的利用率，A正确； B．K仅随温度变化，若平衡移动由非温度因素引起（如浓度、压强），则K不变，B正确； C．增大浓度仅增加活化分子总数，增大单位体积内活化分子有效碰撞次数，活化分子百分数由温度或催化剂决定，增大气态反应物的浓度、活化分子百分数不变，C错误； D．当ΔH-TΔS<0时，反应才能自发进行，该反应ΔH<0，ΔS<0，低温可满足ΔG<0，反应可自发进行，D正确； 故答案选C。 【即练2】工业合成氨不仅解决了粮食问题，还为工业、国防和能源领域提供了关键支撑。合成氨的流程图如下，已知，，下列说法正确的是 A．步骤①的目的是为了防止混入杂质使催化剂中毒 B．步骤②中“加压”不仅可以提高原料的转化率，还加快反应速率，所以生产中压强越大越好 C．步骤④中反应温度提高至800℃，反应速率加快且催化剂的活性更高 D．步骤④⑤⑥均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】A 【分析】合成氨是放热、气体分子数减少的反应。步骤①干燥净化：除去杂质，防止催化剂中毒；步骤②加压：增大压强，平衡正向移动，提高氨的产率；步骤③热交换：利用反应放热预热原料气，节约能源；步骤④ 铁触媒（400-500℃）：催化剂加快反应速率，此温度是催化剂活性最佳温度（虽温度升高平衡逆向，但速率优先）；步骤⑤ 液化分离：分离出液态，使平衡正向移动，提高原料利用率；步骤⑥循环：未反应的、循环利用，提高原料转化率。 【详解】A．净化反应气是为了防止催化剂中毒，A正确； B．加压不仅可以提高原料的转化率，还加快反应速率，但也要考虑生产效率和成本，要选择合适的压强，不是压强越大越好，B错误； C．催化剂铁触煤活性温度为400-500℃，温度过高催化剂活性降低，反应速率减慢，C错误； D．第④步使用催化剂平衡不移动，不能提高原料的平衡转化率，D错误； 故答案选A。 知识点02 合成氨反应的速率 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】合成氨反应速率受温度、压强、催化剂影响：升温、加压、加催化剂均可加快反应。工业上选用铁触媒催化剂，大幅降低活化能，显著提升反应速率；温度兼顾速率与平衡，压强需综合设备成本与速率效果，不可单看速率选条件 【例2】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。回答下列问题： (1)合成氨工业中采用循环操作，主要是为了______（填字母）。 A．增大化学反应速率 B．提高氮气和氢气的利用率 C．降低氨的沸点 D．提高平衡混合物中氨的含量 (2)在密闭容器中通入和，若在一定条件下反应达到平衡状态，容器中剩余。 ①达到平衡时，的转化率为______。 ②若把容器的体积扩大一倍，则正反应速率______（填“增大”“减小”或“不变”，下同），逆反应速率______，的转化率______。 (3)研究发现铁催化剂表面上合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在铁催化剂表面上的微粒用标注。 该反应历程中最大活化能对应步骤的化学方程式为______。合成氨反应：的______ （用图中字母表示）。 【答案】(1)B (2) 减小 减小 减小 (3) 【详解】（1）将未完全反应的氮气和氢气循环利用可以提高氮气和氢气的利用率，对反应速率和平衡时氨的含量无影响，故答案选B。 （2）①据所给信息可知消耗的物质的量为，则消耗的物质的量为，的转化率为。 ②容器体积扩大一倍，各物质浓度减小，压强减小，正逆反应速率均减小，平衡向逆反应方向移动，的转化率减小。 （3）由反应历程和相对能量图可知，活化能最大的是过渡态4的反应，化学方程式为；从相对能量上看，合成氨反应是放热反应，反应焓变=生成物总能量-反应物总能量，则。 【即练3】合成氨是人类科学技术上的一项重大突破。 (1)已知相关数据如下： 化学键 键能 436.0 946.0 391.2 反应：  _______，_______0。(填“>”“＜”或“=”) (2)工业合成氨流程示意图如图： ①下列有关说法正确的是_______。 A．原料气干燥净化的核心目的是制得更高纯度的 B．设备是对原料气进行加压，目的是加快反应速率，提高反应物转化率 C．热交换器的主要作用是降低反应体系温度，使合成氨反应平衡正向移动 D．物质是液氨 ②用碰撞理论解释，工业上为什么通常在而非常温下进行合成氨反应_______。 (3)是工业制备硝酸的重要原料，其中的重要步骤有氧化反应：。该反应机理如下。 第一步(快速平衡)   第二步(慢反应)   ①第_______步反应是反应的决速步骤。 ②请在下列坐标系中补充完整：的反应过程-能量示意图_______。 ③实验发现，当其他条件相同，升高温度时，与反应生成的速率反而减慢，请结合反应机理加以解释。_______。 【答案】(1) ＜ (2) 催化剂活性最大，活化分子百分数高，有效碰撞频率大，反应快 (3) 二     第一步反应迅速达到平衡，温度升高第一步平衡逆向移动，使浓度降低，浓度降低的影响大于温度升高影响，第二步决速反应减慢 【分析】氮气和氢气混合气体净化干燥后，经过设备A压缩机加压，进入热交换加热后在催化剂作用下发生反应生成氨气，再经过热交换后冷却分离出物质B液态氨，未反应完的氮气和氢气可循环利用； 【详解】（1）根据反应焓变=反应物的键能之和-生成物的键能之和，可得，该反应正方向气体分子数减少，故； （2）①A．原料气干燥净化的核心目的是防止混有的杂质（如H2S等）使催化剂中毒，A错误； B．压强增大，反应速率加快，平衡正向移动，从而提高反应物的转化率，故使用设备A对原料气进行加压处理，B正确； C．热交换器的主要作用是回收反应余热，预热原料气，提高能源利用效率，并降低出塔气体的温度，便于液化分离产物NH3，C错误； D．产物混合气经冷却后，将NH3液化分离，未反应的N2和H2循环利用，故物质B是液氨，D正确； 故选BD； ②工业上通常在400~500℃下进行合成氨反应，不在常温下进行反应是因为400~500℃时催化剂活性最大，活化分子百分数高，有效碰撞频率大，反应速率更快； （3）①反应的决速步骤为反应速率最慢的一步基元反应，第二步为慢反应，则第二步反应为决速步骤； ②反应的活化能越大，反应速率越慢，第一步的快反应和第二步的慢反应都是反应物总能量大于生成物总能量的放热反应，且第一步反应的活化能小于第二步，则的反应过程-能量示意图为； ③当其他条件相同，升高温度时，与反应生成的速率反而减慢，原因是第一步反应迅速达到平衡，温度升高第一步平衡逆向移动，使浓度降低，浓度降低的影响大于温度升高影响，第二步决速反应减慢。 【即练4】合成氨工业在20世纪初期形成，随着科学技术的发展，对氨的需求量日益增长。现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。 (1)工业合成氨的简易流程如下： ①循环I可以利用的物质是______（填字母）。 A．催化剂    B．    C．    D．和 ②合成氨采用左右的温度，其原因是______（填字母）。 a．提高的平衡转化率 b．适当提高氨气的合成速率 c．催化剂在左右时活性最大 ③结合速率、平衡、成本等因素，阐述合成氨采用的原因：______。 ④原料气体在进入合成塔前，必须经过净化，该流程的目的是______。 (2)合成氨工业涉及固体燃料的气化，需要研究与CO之间的转化。将一定量的与足量碳在体积可变的密闭容器中反应：，测得压强、温度对CO的平衡组成的影响如图所示，则、、由小到大的关系是______，欲提高C与反应中的平衡转化率，可以采取的措施为______（任写一条）。图中、、三点对应的平衡常数（，，）大小关系是______。 【答案】(1) D bc 压强越大越有利于氨气的合成，但压强增大后对设备的要求也提高，综合考虑，选择压强较适宜 防止催化剂中毒 (2) 升高温度、减小压强、及时分离出产物CO（任写一条） 【分析】反应是气体分子数增大的反应，随着反应进行，体系压强增大，减小压强有利于化学平衡正向移动，表明压强越低，CO的体积分数越大。化学平衡常数只随温度的改变而改变，，升高温度，CO的体积分数增大，反应正向进行，化学平衡常数增大。 【详解】（1）①与在高温、高压和催化剂的作用下反应生成氨气为可逆反应，两种反应物均有剩余，与产物氨气分离后可通过循环I循环使用，D正确，故答案为：D； ②a．合成氨反应：正反应为放热反应，升高温度不能提高氢气的转化率或氨气的产率，a不符合题意； b．升高温度可增大反应速率，b符合题意； c．该温度时，催化剂的活性最大，c符合题意； 故答案为：bc； ③压强越大越有利于氨气的合成，但压强增大后对设备的要求也提高，综合考虑，选择压强较适宜，故答案为：压强越大越有利于氨气的合成，但压强增大后对设备的要求也提高，综合考虑，选择压强较适宜； ④原料气中的一些物质能使催化剂中毒，为了防止催化剂中毒，需通过净化除去，故答案为：防止催化剂中毒； （2）反应是气体分子数增大的反应，随着反应进行，体系压强增大，减小压强有利于化学平衡正向移动，表明压强越低，CO的体积分数越大，则、、的大小关系是：；升温时CO的平衡组成增大表明反应吸热，平衡正向移动，欲提高C与反应中的平衡转化率，可以采取的措施为：升高温度、减小压强、及时分离出产物CO；化学平衡常数只随温度的改变而改变，升高温度，正反应趋势增大，化学平衡常数增大，则、、三点对应的平衡常数大小关系是：，故答案为：；升高温度、减小压强、及时分离出产物CO（任写一条）；。 知识点03 合成氨生产的适宜条件及优化 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 反应条件的优化 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 【特别提醒】合成氨反应速率受温度、压强、催化剂影响：升温、加压、加催化剂均可加快反应。工业上选用铁触媒催化剂，大幅降低活化能，显著提升反应速率；温度兼顾速率与平衡，压强需综合设备成本与速率效果，不可单看速率选条件 【例3】下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．液态除可生产化肥外，还可作制冷剂 【答案】C 【详解】A．工业合成氨中，原料气中的杂质（如CO、硫的化合物等）会导致催化剂中毒，步骤①“净化”可除去杂质，防止催化剂失去活性，A正确； B．合成氨反应为（正反应气体体积减小），加压会增大反应物浓度使反应速率加快，同时平衡向正反应方向移动，提高原料转化率，B正确； C．步骤③为催化反应（500℃，催化剂），催化剂不影响平衡转化率；500℃高温因合成氨正反应放热，会使平衡逆向移动，降低平衡转化率；步骤④液化分离使平衡正向移动，步骤⑤循环未反应气体提高利用率，但步骤③不利于提高平衡转化率，C错误； D．液态可用于生产氮肥（如NH4HCO3等），且液氨汽化吸热，可作制冷剂，D正确； 故选C。 【即练5】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图如下。 下列有关合成氨说法正确的是 A．从合成氨平衡体系中分离出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 B．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 C．合成氨一般选择进行，铁触媒的活性最大，原料气平衡转化率高 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】B 【详解】A．从合成氨平衡体系中分离出氨气，减少了生成物的浓度，使平衡正向移动，但正反应速率和逆反应速率都减小，故A错误； B．热交换将氨气的热量转给氮气和氢气，目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于液化分离，故B正确； C．合成氨一般选择进行，主要是让铁触媒的活性最大，但该反应是放热反应，温度升高，原料气的平衡转化率降低，故C错误； D．步骤④是有利于铁触媒的活性最大，由于该反应是放热反应，升高温度，原料的平衡转化率降低，步骤⑤分离出氨气，有利于平衡正向移动，可以提高原料的转化率，故D错误； 故选B。 【即练6】合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，至今有三位科学家因在该领域的研究获诺贝尔奖。合成氨的反应为：。请回答下列问题： (1)该反应的化学平衡常数表达式_______。 (2)某温度时，将和按一定比例充入恒容容器中，平衡后测得数据如下表： 物质 平衡时各物质 的物质的量 2.00 5.00 1.00 ①该反应可以在_______(填“高温”、“低温”或“任意温度”)条件下自发进行。 ②该温度下，若平衡后，再向平衡体系中加入、和各，此时反应向_______方向(填“正反应”或“逆反应”)进行，结合计算说明理由：_______。 (3)实验测得在某反应容器中充入、，不同温度下分别达到平衡时，混合气中的体积分数随压强变化的曲线如下图所示。 ①温度、、大小关系是_______。 ②点混合气中的体积分数是_______。 ③实际生产中，为提高的转化率，可以采取的措施是_______(至少写两条措施)。 【答案】(1) (2) 低温 逆反应 原平衡时。向体系各加入后，，故反应向逆反应方向进行 (3) 增大压强；液化氨气、及时分离出氨气 【详解】（1）平衡常数等于生成物平衡浓度的化学计量数次方乘积除以反应物平衡浓度的化学计量数次方乘积，该反应的化学平衡常数表达式K=； （2）①该反应的为，属于放热反应，且气体分子数由变为，体系熵减小（）。当且时，根据，只有在温度较低时才可能小于0，反应才能自发进行，因此该反应应在低温条件下自发进行； ②原平衡状态下，加入各物质后，、、的物质的量分别为，，由于，反应将向逆反应方向进行； （3）①该反应为放热反应，温度越低越有利于正反应生成，图中曲线对应的体积分数最高，说明在时正反应最有利； ②点体积分数为，设反应消耗氮气物质的量为xmol，则平衡时氮气、氢气、氨气物质的量依次为(2-x)mol、(4-3x)mol、2xmol，则=0.20，解得x=0.5，； ③正反应为气体分子数减小的放热反应，故实际生产中提高H2的转化率可以增大压强；液化氨气、及时分离出氨气）。 1．氨既是一种重要的化工产品，又是一种重要的化工原料。下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。下列叙述错误的是 A．A可以为空气 B．尾气可用碱液处理(必要时可配合通空气) C．氧化炉发生的主反应中，(还原剂)(氧化剂) D．合成塔中的温度越高越有利于反应进行 【答案】D 【分析】N2和H2在合成塔发生，生成的氨气通过氨分离器，在氧化炉内发生，NO与O2反应生成NO2，在吸收塔发生，通入的O2使生成的NO又转化成NO2，继续与水反应生成硝酸，提高NO2的吸收率。 【详解】A．由分析知，氧化炉和吸收塔内的反应都需要O2，空气可以提供O2，A可以为空气，A正确； B．尾气中含有NO、NO2等氮氧化物，可用碱液处理，通入空气可以将NO转化成NO2，提高NO2的吸收率，B正确； C．氧化炉发生的主反应，其中NH3为还原剂，O2为氧化剂，(还原剂) (氧化剂)，正确； D．由分析知，合成塔里的反应为放热反应，温度过高会使平衡逆向移动，不利于氨气的合成，D错误； 故选D。 2．在催化剂作用下，某可逆反应的反应历程如图所示。下列说法正确的是 A．反应物的总能量小于生成物的总能量 B．反应i→ii的速率大于反应ii→iii的速率 C．使用催化剂可提高活化分子百分数 D．升高温度可提高反应物的平衡转化率 【答案】C 【详解】A．由图中信息可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，A错误； B．反应i→ii的活化能为1.35eV，反应ii→iii的活化能为0.85eV，所以活化能：反应ii→iii＜反应i→ii，活化能越小，反应速率越快，故反应i→ii的速率小于反应ii→iii的速率，B错误； C．使用催化剂可以降低活化能，提高活化分子百分数，C正确； D．反应物的总能量大于生成物的总能量，该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，反应物的平衡转化率减小，D错误； 故选C。 3．在容积一定的密闭容器中，置入一定量的一氧化氮和足量碳发生化学反应：，平衡时与温度的关系如图所示，则下列说法正确的是 A．在时，若反应体系处于状态D，则此时反应速率： B．若该反应在、时的平衡常数分别为、，则 C．该反应的 D．若状态B、C、D的压强分别为、、，则 【答案】A 【详解】A．T2°C时反应进行到状态D，c(NO)高于平衡浓度，化学反应向正反应进行，则一定有v正>v逆，A正确； B．由图可知，温度越高平衡时c(NO)越大，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，所以升温化学平衡常数减小，K1>K2，B错误； C．根据B选项分析知，升高温度平衡向逆反应方向移动，由于升高温度化学平衡向吸热反应方向移动，所以正反应为放热反应，即<0，C错误； D．该反应是反应前后气体体积相等的反应，在同一温度下的气体压强相同，达到平衡状态时，压强和温度成正比例关系，则p(C)>p(D)=p(B)，D错误； 故选A。 4．中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A．合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B．使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 【答案】C 【分析】制取原料气主要含有N2、H2，以及CO等杂质气体，净化时，除去杂质气体，防止催化剂中毒，将N2、H2经压缩机压缩成高压气体，在合成塔中发生反应：，及时分离出液氨，促进平衡正向移动，据此分析解题。 【详解】A．合成塔中充入的氮气越多相当于增大氮气浓度，平衡向正反应方向移动，但氮气的转化率减小，故A错误； B．使用催化剂，化学反应速率加快，但平衡不移动，氨气的平衡产率不变，故B错误； C．及时分离出液氨，生成物氨气的浓度减小，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率增大，原料的利用率增大，故C正确； D．为提高合成氨的综合效益，实际生产中，常采用适宜高温、适宜高压的条件提高氨产率，故D错误； 选C。 5．工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：，在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是 A．增大压强，甲醇转化率减小 B．点反应速率 C．平衡常数：，反应速率： D．生产时反应温度控制在为宜 【答案】A 【详解】A．的正反应是气体分子数减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的转化率增大，A错误； B．由题图可知，随着温度的升高，CO的转化率先增大后减小，在相同时间内，约83℃时反应达到平衡，点时反应没有达到平衡，仍向正反应方向进行，则，B正确； C．达到平衡后，升高温度，CO转化率降低，平衡逆向移动，平衡常数减小，则；温度越高，反应速率越快，因此反应速率：，C正确； D．由题图可知，在80～85℃时，CO的转化率较大，且反应速率较快，因此生产时反应温度控制在80～85℃为宜，D正确； 故选A。 6．下列事实中，能用勒夏特列原理解释的是 A．铁钉放入冷的浓中，待不再变化后，加热能产生大量红棕色气体 B．工业制取钾，选取合适的温度，使K变成蒸气从体系逸出 C．合成氨（）工业中，采用400~500℃的高温条件利于氨气的生成 D．、、平衡混合气体加压后颜色变深 【答案】B 【详解】A．常温下Fe和浓硝酸发生钝化，加热使铁表面的氧化物薄膜溶解，且在加热条件下铁和浓硝酸发生氧化还原反应生成NO2，NO2呈红棕色，与化学平衡无关，不能用勒夏特列原理解释，故A不符合题意； B．K为气态，减小生成物的浓度可使平衡Na(l)+KCl(l)⇌K(g)+NaCl(l)正向移动，能用勒夏特列原理解释，故B符合题意； C．合成氨是放热反应，降低温度有利于平衡正向移动，高温不利于平衡正向移动，采用400℃～500℃的高温条件主要是因为催化剂活性此温度下最高，不能用勒夏特列原理解释，故C不符合题意； D．2HI(g) ⇌ H2(g)+I2(g)，该反应的反应前后气体计量数之和不变，所以压强不影响平衡，由H2、I2蒸气、HI组成的平衡体系加压后，增大平衡体系的压强即体系的体积减小碘蒸气浓度增大，颜色加深，与平衡移动无关，所以不能用勒夏特列原理解释，故D不符合题意； 故选B。 7．合成氨是人工固氮最重要的途径，反应为：  。回答下列问题： (1)下列关于合成氨工艺的说法中，正确的是___________(填字母)。 A．控制温度远高于室温，是为了提高平衡转化率 B．原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 C．不断将液氨移除，利于反应正向进行，同时提高逆反应速率 D．实际生产中，N2适度过量有利于提高H2的转化率，同时有利于提高整体反应速率 (2)为降低合成氨的能耗，我国科学家提出使用M-LiH复合催化剂，催化效果如图1所示，若一定压强下，以相同的投料，350℃用Cr-LiH作催化剂、500℃用Fe作催化剂和350℃用Fe-LiH作催化剂，氨气的产率随时间变化如图2所示，350℃用Cr-LiH作催化剂的曲线是___________(填“a”“b”或“c”)，理由是___________。 (3)压强为20MPa下，以、进料，反应达平衡时氮气的转化率与温度的关系如图3中曲线b所示。 ①若保持压强不变，以、、进料，则平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线___________(填“a”或“c”)，判断依据是___________。 ②已知：反应，，其中、、分别表示、、的分压。若保持压强不变，仍以、进料，达平衡时NH3的物质的量分数为0.20，则该温度下，反应平衡常数___________(化为最简式)。 【答案】(1)BD (2) b 350℃用作催化剂的反应速率慢于350℃用作催化剂的速率 (3) a 相同温度下，恒压充入稀有气体相当于分压减小，平衡逆向移动，的转化率减小 【详解】（1）A．合成氨是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的产率降低，控制温度远高于室温的目的是为了提高催化剂的活性，加快反应速率，A错误； B．制备的氮气中含有能与氢气加热发生爆炸的氧气，且原料气中含有能使催化剂中毒的杂质，所以实际生产时原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，B正确； C．不断将液氨移除，平衡正向移动，有利于反应反应正向进行，但体系中氨气的浓度减小，逆反应速率降低，C错误； D．实际生产中，氮气适度过量，氮气的浓度增大，反应速率加快，平衡向正反应方向移动，有利于提高氢气的转化率，D正确； 故选BD； （2）合成氨是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的产率降低，图2中c为500℃的曲线；使用催化剂，反应速率加快，化学平衡不移动，由图1可知，350℃用作催化剂的反应速率慢于350℃用作催化剂的速率，所以图2中曲线b表示350℃用作催化剂时氨气的产率随时间变化； （3）①若保持压强不变，以、、进料，相当于减小压强，平衡向逆反应方向移动，氮气的转化率减小，所以平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线a； ②设平衡时消耗氮气的物质的量为amol，由题意可建立如下三段式： ，由平衡时氨气的物质的量分数可得：，解得，则平衡时氮气、氢气和氨气的物质的量分数分别为0.2、0.6、0.2，反应的平衡常数为：。 8．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中的含量(体积分数)[投料]如下表： 0.1 10 20 30 60 100 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4 (1)比较和时的数据，可判断升高温度，平衡向___________(选填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为___________(选填“吸热”或“放热”)反应。 (2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是___________。 A．高温高压 B．高温低压 C．低温高压 D．低温低压 (3) 时的转化率为___________。 (4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：___________。 【答案】(1) 逆反应 放热 (2)C (3)41.77% (4)加过量[或及时从平衡体系中移走或选择合适的催化剂(如铁)] 【详解】（1）表中数据表明：恒压时，升高温度，减小，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应； （2）由反应  ，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大，故选C； （3）假设的用量为1mol，H2的用量为3mol，的消耗量为xmol，则： ，得：，，； （4）增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移，故可加过量或及时从平衡体系中移走；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，时加入合适的催化剂(铁)，可提高化学反应速率。 9．近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题： (1)Deacon发明的直接氧化法为：222下图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)：c(O2)分别等于1：1、4：1、7：1时HCl平衡转化率随温度变化的关系： ①反应平衡常数：K(300℃)_______K(400℃)(选填“大于”或“小于”)。 ②设HCl初始浓度为C0，根据进料浓度比(O2)的数据计算出时O2的平衡转化率等于_______。 ③按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)：c(O2)过低的不利影响是_______。 (2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行： ①l-1 ②l-1 ③23-1 则④222的=_______-1。 (3)下列措施可以提高反应222中HCl的平衡转化率的是_______(填字母)。 a．增大HCl浓度    b．及时除去H2O(g)    c．增加反应体系压强    d．升高温度 【答案】(1) 大于 21% O2和Cl2分离能耗较高 (2)-116 (3)bc 【详解】（1） ①根据图知，进料浓度比c(HCl)：c(O2)一定时，升高温度HCl的转化率降低，说明平衡逆向移动，升高温度平衡向吸热方向移动，则正反应为放热反应，温度越高化学平衡常数越小，所以K(300℃)大于K(400℃)，故答案为：大于；②温度一定时进料浓度比c(HCl)：c(O2)越大，HCl的转化率越小，所以400℃进料浓度比c(HCl)：c(O2)＝1：1时，HCl的转化率为最上边曲线，HCl转化率为84%，可逆反应列三段式如下：，则O2的平衡转化率等于；③进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低时，O2浓度较大，HCl的转化率较高，但Cl2和O2分离能耗较高，生产成本提高； （2）根据盖斯定律，(×①+×②+③)×2可得：4HCl(g)+O2(g)═2Cl2(g)+2H2O(g)△H＝[(166kJ•mol﹣1)×+(﹣40kJ•mol﹣1)×+(﹣121kJ•mol﹣1)]×2＝﹣116kJ•mol﹣1，故答案为：﹣116； （3）4HCl(g)+O2(g)═2Cl2(g)+2H2O(g)为气体体积缩小的放热反应，若要提高HCl的转化率，需要使平衡向着正向移动，可增加反应体系的压强或及时分离出产物，均可提高HCl的转化率，故答案选bc。 10．在1.0L密闭容器中放入0.10molA(g)，在一定温度下进行如下反应：A(g)B(g)＋C(g)　ΔH=＋85.1kJ·mol-1。反应时间(t)与容器内气体总压强(p)的数据见下表： 时间t/h 0 1 2 4 8 16 20 25 30 总压强p/(×100kPa) 4.91 5.58 6.32 7.31 8.54 9.50 9.52 9.53 9.53 回答下列问题： (1)一定处于平衡状态的时间段是_____，由总压强p和起始压强p0计算反应物A的转化率的表达式为_____，计算平衡时A的转化率为_____(保留1位小数，下同)，反应的平衡常数K=_____。 (2)①由总压强p和起始压强p0表示反应体系的总物质的量n总和反应物A的物质的量n(A)，n总=_____mol，n(A)=_____mol。 ②下表为反应物A浓度与反应时间的数据，计算： 反应时间t/h 0 4 8 16 c(A)/(mol·L-1) 0.10 a 0.026 0.0065 a=_____。分析该反应中反应物的浓度c(A)变化与时间间隔(Δt)的规律，得出的结论是_____ ，由此规律推出反应在12h时反应物的浓度c(A)为_____ mol·L-1。 【答案】(1) 25～30h (-1)×100% 94.1% 1.5 (2) 0.10× 0.10×(2-) 0.051 达到平衡前每间隔4h，c(A)约减少一半 0.013 【详解】（1）25～30h内总压不再改变，一定处于平衡状态，在温度、容积一定的条件下，气体的压强之比等于其物质的量（物质的量浓度）之比，则 ，平衡时，×100kPa，则 ，，； （2）①恒温恒容下， ，则 ，故 ， ，则 mol； ②由表中数据可知，4h时， ，则4h时 mol≈0.051 mol，故  ，即 。由表中反应物A的浓度与时间间隔（ 之间的关系可知，达到平衡前每间隔4h，c(A)约减少一半。8h时， 0.026 mol· ，再经过4h，即12h时，反应物的浓度(A)为8h时浓度的一半，即为0.013 mol·。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $