第2章 第4节 化学反应的调控-（配套教参）【精讲精练】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（人教版）

本讲义聚焦化学反应的调控核心知识点，通过化学反应速率和化学平衡影响因素，系统梳理合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原理，从理论分析到生产流程构建完整知识支架。 以合成氨工业为真实情境，通过表格对比、思考题探究培养科学思维与科学态度，典型例题解析辅助理解。课中助教师引导理论联系实践，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第四节　化学反应的调控 [学习目标] 1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原理。 2．利用化学反应原理，了解工业生产条件选择的依据和原则。 3．知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用，培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。 [对应学生用书P58] 知识点一　合成氨条件的选择 1．工业生产中适宜生产条件的选择 外界条件 选择原则 有利于增大速率的条件控制 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，尽量选取高温并考虑催化剂的__活性__ 压强 高压(有气 体参加) 气体体积减小 高压 在设备条件允许的前提下，尽量选取__高压__ 气体体积增大 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 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__400～500_℃__ 2 物质的量 N2、H2投料之比为__1∶3__ 3 压强 __10～30__ MPa 4 催化剂 选择以铁为主体的多成分__催化剂(铁触媒)__ 3．合成氨的生产流程 人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到20世纪初才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。 (1)工业生产中增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？ (2)既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？ (3)在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？使用的催化剂一般是什么？ 提示　(1)不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力也越大，目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa。 (2)不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低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，所以在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。 (3)为了加快反应速率，工业合成氨普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。 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。 1．对于N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0，下列说法错误的是(　　) A．该反应在低温条件下能自发进行 B．工业合成氨在高温高压的条件下NH3的产率最高 C．工业合成氨一般选择400～500 ℃的重要原因是考虑催化剂的活性 D．增大压强，活化分子百分数不变，反应速率加快 解析　B　由N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0，焓变小于0，ΔS<0，低温下自发进行，A项正确；合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NH3产率减小，B项错误； 工业合成氨一般选择400～500 ℃的重要原因是考虑催化剂的活性，500 ℃左右催化剂活性最强，C项正确；增大压强，体积减小，等于增大浓度，单位体积内活化分子数增多，但活化分子百分数不变，有效碰撞次数增多，反应速率加快，D项正确。 2．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，下列关于工业合成氨条件选择的说法，正确的是(　　) A．工业合成氨的反应是熵增的放热反应，在任何温度下都能自发进行 B．高温、高压均能缩短反应达到平衡所需时间，而只有高温有利于提高合成氨的产率 C．通过液化分离的方式不断移除产品NH3，有利于增大反应平衡常数，促进反应正向进行 D．原料气进入合成塔之前，须经过干燥净化，以防止催化剂中毒 解析　D　合成氨反应后气体物质的量减少，是熵减的放热反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS，低温时能自发进行，故A错误； 高温、高压均能加快反应速率，缩短反应达到平衡所需时间，但合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，会降低合成氨的产率，故B错误；反应平衡常数只与温度有关，温度不变K值不变，故C错误；催化剂“中毒”是因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程，因此为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化，故D正确。 3．化学家发明了以低成本制造氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　) A．①②③　　　　　　 B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ 解析　B　合成氨的反应是气体体积减小、放热的可逆反应，所以增大压强平衡向正反应方向移动，可提高原料的转化率；催化剂不能影响平衡状态，不能提高转化率；把生成物氨气液化及时分离出来，可以促使平衡向正反应方向移动，提高转化率；通过氮气和氢气的循环使用，可以提高原料的利用率，即②④⑤正确。 知识点二　化学反应的调控 1．影响化学反应进行的因素 参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素；温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。 2．化学反应的调控 (1)含义：通过改变外界条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 (2)考虑因素：考虑设备条件、安全操作、经济成本等；分析影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件；根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 ①反应限度：要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 ②反应速率：要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。 ③生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。 已知2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)　ΔH＜0的实验数据如下表： 温度 不同压强下SO2的转化率(%) 1×105 Pa 5×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)应选择的温度是________，理由是_______________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)应采用的压强是________，理由是_____________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是_________________________ ________________________________________________________________________。 (4)生产中通入过量空气的目的是___________________________________________ ________________________________________________________________________。 提示　(1)450 ℃　该反应是放热反应，升高温度，反应物转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高 (2)1×105 Pa　常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但对设备的要求更高 (3)SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需要分离出SO3 (4)增大O2浓度，提高SO2的转化率 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、高压的能力等 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 1．工业上可在高纯氨气下球磨氢化锂以合成高纯度的储氢材料氨基锂，原理可表示为LiH(s)＋NH3(g)===LiNH2(s)＋H2(g)。如图表示在不同氨气分压和不同球磨时间下目标产物LiNH2的相对纯度变化曲线。考虑实验安全(氨气压力要小)以及目标产物LiNH2的相对纯度要得到保证(接近98%)，选择合成的最佳条件为(　　) A．0.2 MPa，1.0 h　　　 B．0.3 MPa，2.0 h C．0.4 MPa，2.0 h D．0.5 MPa, 1.5 h 解析　B　由图可知压强0.2 MPa时目标产物LiNH2的相对纯度最高为96%，不满足接近98%；压强0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa条件下达到98%的相对纯度所需球磨时间均在2 h左右，但压强越大对设备的要求越高，因此选压强0.3 MPa更合理。 2．合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量的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)2Ac]＋CO＋NH3⥫⥬[Cu(NH3)3]Ac·CO　ΔH＜0 (1)必须除去原料气中CO的原因是_________________________________________ ________________________________________________________________________； (2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的生产适宜条件是_________________________________ _______________________________________； (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适宜条件是_________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)除去一氧化碳防止催化剂中毒； (2)[Cu(NH3)2Ac](aq)＋CO＋NH3⥫⥬[Cu(NH3)3]Ac·CO(aq)　ΔH<0，由反应可知，该反应为气体体积减小的放热反应，所以加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于CO的吸收； (3)要使吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理后再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可，逆反应方向为气体体积增大的吸热反应，所以在高温低压下使平衡逆向移动。 答案　(1)防止催化剂中毒　(2)低温、高压 (3)高温、低压 [对应学生用书P61] 1．在硫酸工业生产中，通过下列反应使SO2氧化成SO3: 2SO2(g) ＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol-1。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。 温度/℃ 平衡时的转化率 0.1 MPa 0.5 MPa 1 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 从化学反应速率、化学平衡及生产成本、产量等角度综合分析，在实际生产中有关该反应适宜条件选择的说法正确的是(　　) A．SO2的转化率与温度成反比，故采用尽可能低的温度 B．该反应在450 ℃左右、1 MPa (常压)下进行较为合适 C．SO2的转化率与压强成正比，故采用尽可能高的压强 D．为了提高SO2的转化率，应使用合适的催化剂 解析　B　由表格数据可知，SO2的转化率与温度成反比，降低温度平衡向正反应方向移动，但反应速率减小，不利于提高SO3的产量，故A错误；在0.1 MPa、450 ℃时SO2的平衡转化率(97.5%)就已经很高了，若继续增大压强，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故B正确；由表格数据可知，SO2的转化率与压强成正比，但采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故C错误；催化剂不能改变SO2的平衡转化率，故D错误。 2．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 解析　C　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错误；增大压强反应速率增大，C正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D错误。 3．下列说法正确的是(　　) A．有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，可增加单位体积内活化分子百分数，从而使反应速率增大 B．已知反应：CaCO3(s)⥫⥬CaO(s)＋CO2(g)，在密闭的反应炉内达到平衡后，若其他条件均不改变，将反应炉体积缩小一半，则达到新平衡时CO2(g)的浓度将升高 C．在一定条件下，可逆反应2NO2(g)⥫⥬N2O4(g)达到平衡后，保持恒温恒容，再通入一定量N2O4，平衡逆向移动，且达到新平衡时NO2的百分含量减小 D．合成氨厂采用的压强是10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 解析　C　有气体参加的化学反应，若增大压强(即缩小反应容器的体积)，增加的是单位体积内活化分子数，从而使反应速率增大，而不是增加单位体积内活化分子百分数，A错误；该反应的平衡常数K＝c(CO2)，温度不变，K不变，则通过压缩体积达到新平衡时CO2的浓度不变，B错误；该反应是气体系数减小的反应，假设保持恒温恒压，再通入一定量N2O4，平衡逆向移动，新平衡时NO2的百分含量不变，为等效平衡，因为是恒温恒容条件，则相当于增大压强，平衡向正方向移动，新平衡时的NO2百分含量减小，C正确；合成氨工业中普遍使用铁触媒作为催化剂，其在500 ℃左右时活性最大；采用的压强是10～30 MPa，是考虑到动力和设备的承受能力，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $