第12讲 化学反应条件的优化 -2026年暑假新高二化学自学提升讲义（全国通用）

第12讲 化学反应条件的优化 学习目标 1、知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用。 2、通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值。 知识导图 新知精讲 【知识点1】合成氨反应的条件优化 一、合成氨反应的限度与速率 1.合成氨反应的特点 N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。 2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物氮气或氢气的浓度 增大某一反应物的浓度，降低反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度 从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨生产的适宜条件 合成氨的生产流程： 1.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。 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备的要求和技术条件等。 2.合成氨反应的适宜条件 (1)压强：目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。 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就越高，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：实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 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，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 (3)催化剂： ①目前，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。 ②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，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发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。 ③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？ 因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程称为催化剂中毒。原料气必须经过净化。 (4)浓度 及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 (5)投料比 ①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)=1∶3时，氨的平衡体积分数最大。 ②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率、适当提高N2比例，加快合成氨的反应速率。  (6)其他：兼顾环境保护和社会效益。 【典例分析】 【例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 【例2】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②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C.步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 D.步骤③④均有利于提高原料的平衡转化率 【例3】在硫酸工业中，SO2的氧化、SO2的除去都是必不可少的步骤。 SO2的氧化：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SO2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 (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是____。 (2)在实际生产中，选定的温度为400~500 ℃，原因是____________________。  (3)在实际生产中，采用的压强为常压的原因是______________________。  (4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是______________________。  【知识点2】探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 项目活动1　选择合适的化学反应 1.工业废气中二氧化碳可采取的治理方向： ①将二氧化碳捕获并存储(转化为无机碳酸盐)。 ②将二氧化碳高效转化为重要化学品、能源产品和材料等。 2.科研人员提出多种转化利用二氧化碳的方法和途径，其中利用二氧化碳合成甲醇是重要的研究方向之一。阅读教材相关内容，总结“选择二氧化碳作为碳源合成甲醇是基于哪些方面的原因？” ①甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料；甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一，它易传输，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料。 ②我国目前合成甲醇的主要原料煤和重渣油都日渐减少，人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。 ③利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径。 3.设计适于工业生产的化学反应时， 首先要考虑：反应在指定条件下能否正向自发进行；  其次考虑：原料的来源、可能出现的副反应等。  4.由CO2合成CH3OH，从元素守恒和原子利用率的角度推测，还需要的反应物可能是H2或H2O。 5.利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇可能涉及的化学反应如下： ①CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g) ②CO2(g)+2H2O(g)===CH3OH(g)+O2(g) 反应 ΔH/(kJ·mol-1) ΔS/(J·mol-1·K-1) ① -48.97 -177.16 ② +676.48 -43.87 (1)通过上表数据分析判断两个反应在常温下的自发性。 对于反应①，由于ΔH<0、ΔS<0，低温时，ΔH-TΔS<0，反应能正向自发进行。 对于反应②，由于ΔH>0，ΔS<0，ΔH-TΔS在任何温度下均大于0，不能通过改变温度使其正向自发进行。 (2)你认为哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？ 反应①更适宜于甲醇的工业生产。 项目活动2　选择适宜的反应条件 1.研究发现，以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应： CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.17 kJ·mol-1 ΔS=+42.08 J·mol-1·K-1。 分析该副反应自发进行的条件。 高温自发。自发进行的条件：ΔH-TΔS<0，则T> K≈978.37 K。 2.分析主反应和副反应的特征 主反应：CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·mol-1 副反应：CO2(g)+ H2(g)===CO(g) + H2O(g)　ΔH=+41.17 kJ·mol-1 (1)将这两个反应各自有利的条件填入下表。 浓度 压强 温度 催化剂 主反应 增大反应物浓度有利 高压有利 低温有利 提高选择性，促进主反应 副反应 增大反应物浓度有利 无影响 高温有利 抑制副反应 (2)归纳以二氧化碳和氢气为原料工业生产甲醇的反应选择适宜的反应条件。 ①低温。因为低温有利于该反应自发进行，对应的ΔH<0，低温有利于平衡正向移动，提高反应物的平衡转化率。 ②高压。因为该反应的ΔS<0，高压既有利于平衡正向移动，提高反应物的平衡转化率，又有利于提高反应速率。 ③适宜的催化剂。因为该反应有副反应发生，且低温下反应速率不大，采用适宜的催化剂，既能抑制副反应，又能提高反应速率。 ④适当增加H2的浓度，对主反应更有利。 3.结合教材资料卡片综合选择优化的反应条件。 (1)分析教材“资料1　反应物的物质的量之比对反应的影响”的表格数据 可得出的结论是： n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好，文献大多选择的是n(H2)∶n(CO2)=3∶1，可能是方程式系数和成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。 (2)分析教材“资料2　压强与温度对甲醇产率的影响”图像 总结： ①压强：温度为523 K，n(H2)∶n(CO2)=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。 ②温度：总压为5 MPa，n(H2)∶n(CO2)=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，从图中数据变化可看出，温度过高后，甲醇产率下降。 (3)分析教材“资料3　催化剂的组成对反应的影响”表格数据 可得出结论：以CuO和ZnO为基体时，适当增加ZrO2和MnO可以提高甲醇的选择性和时空收率。 4.根据以上实验数据分析，CO2合成甲醇应选择的条件是： 可以初步确定投料比在n(H2)∶n(CO2)=3∶1，温度在520 K左右，压强为5 MPa，可以选择CuO、ZnO为基体、ZrO2和MnO为辅料的催化剂。 5.工业生产实际中的其他实际问题 还需配置的辅助设备包括：二氧化碳富集装置、甲醇⁃水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。 【归纳总结】 (1)设计化学反应解决实际问题的一般思路 (2)选择适宜条件的优化思路 【典例分析】 【例1】二氧化碳的合理利用有利于实现碳中和，常用以下两种方法实现二氧化碳的转化。 方法一：二氧化碳加氢合成甲烷：CO2(g)+4H2(g)⥫⥬CH4(g)+2H2O(g)； 方法二：二氧化碳加氢合成甲醇：CO2(g)+3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1， 反应过程中会有副反应：CO2(g)+H2(g)⥫⥬CO(g)+H2O(g)　ΔH2，一定条件下，按方法二合成甲醇，温度对CH3OH、CO平衡产率的影响如图所示。下列说法不正确的是 A.ΔH1<0，ΔH2>0 B.增大压强有利于加快合成反应的速率 C.选用合适的催化剂可以降低CO的平衡产率 D.生产过程中，高温不利于提高CH3OH的产率 【例2】我国科学家研制出CO2与H2合成甲醇的高效催化剂。下列有关该反应的说法错误的是 A.有利于减排CO2 B.反应生成甲醇和水 C.有利于碳资源循环利用 D.该高效催化剂提高了CO2的平衡转化率 【例3】CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应： 反应Ⅰ：CO2(g)+H2(g)⥫⥬CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.2 kJ·mol-1 反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)⥫⥬CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-122.5 kJ·mol-1 在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。 其中：CH3OCH3的选择性=×100% (1)温度高于300 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是_________。  (2)220 ℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有______。  课后精练 1．用催化还原，是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应原理为   。下列说法正确的是 A．仅从平衡角度考虑，高压条件有利于柴油机车尾气的净化 B．使用合适的催化剂可以提高活化分子百分率，增大反应速率 C．上述反应只有在高温下才能正向自发进行 D．为减小柴油机车辆尾气对空气的污染，通入越多越好 2、下列有关合成氨条件选择的说法正确的是 A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率 B.温度越高，速率越快，生产效益越好 C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率 D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率 3．工业合成甲醇的原理为  H<0，其工艺流程如图所示。下列叙述正确的是 A．“干燥净化”的目的是防止催化剂失活 B．合成甲醇时压强越大越好 C．“冷却装置”能提高原料平衡转化率和反应速率 D．采用“高温”有利于提高甲醇的平衡产率 4、工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)，下列说法不正确的是 已知298 K时，ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1 A.在298 K时，该反应能自发进行 B.合成氨反应活化能较大，需要外界提供能量才能发生 C.温度升高，使用铁触媒，反应物活化分子百分数增大，反应速率加快 D.升高温度，该反应v正增大，v逆减小，平衡向逆反应方向移动 5、、和起始的物质的量分数分别为7.5％、10.5％和82％时，在、和不同压强下发生反应：，的平衡转化率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 A．恒压条件下，增加初始用量，增大 B．该反应在常温常压下进行最有利于提高效益 C．压强大小顺序为 D．其他条件不变，若将、初始用量调整为，则增大 6、工业合成氨的反应为N2+3H2⥫⥬2NH3　ΔH<0。要使氨的平衡产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，充入惰性气体　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A.②⑤⑥⑦ B.②③④⑤⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑧ 7、合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述不正确的是 A.高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应 B.合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率 C.工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率 D.铁触媒的使用有利于提高合成氨单位时间内的生产效率 8．工业合成氨是人类科技的一次重大突破，其反应为  ，其流程示意图如下图Ⅰ，下列说法错误的是 已知：阿伦尼乌斯方程为(Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数) A．工业上通常在400℃-500℃下，进行合成氨反应，因为在常温下，反应物中活化分子数较低，发生有效碰撞次数较少，反应速率较慢 B．流程中干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒 C．假设现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图Ⅱ中x1线所示，若使用一种新型催化剂合成氨反应条件降为350℃、1MPa，则使用该催化剂下图像为x2线 D．流程中装置A的作用是加压，B处的物质主要是液氨 9、诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学的研究中作出的贡献。下列说法正确的是 A.增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率 B.增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率 C.采用正向催化剂时，反应的活化能降低，使反应明显加快 D.工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越有利于提高经济效益 10、CH4⁃CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为 CH4(g)+CO2(g)⥫⥬ 2CO(g)+2H2(g)　ΔH=+247 kJ·mol-1， 同时存在以下反应： CH4(g)⥫⥬C(s)+2H2(g)　ΔH=+75 kJ·mol-1(积碳反应)， CO2(g)+C(s)⥫⥬2CO(g)　ΔH=+172 kJ·mol-1(消碳反应)， 假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是 A.高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳 B.增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳 C.升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大 D.温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少 11、氨是重要的化工产品，我国目前氨的生产能力位居世界首位。 工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)。 (1)下列关于合成氨说法正确的是________(填字母)。  A.该反应的ΔS<0 B.N2和H2的物质的量之比按1∶2.8，可提高经济效益 C.使用铁触媒做催化剂，可同时降低反应的活化能和反应热 D.降温、高压、使用催化剂都有利于提高NH3的平衡产率 (2)在不同压强下，按照n(N2)∶n(H2)=1∶3进料，反应达到平衡时氨的物质的量分数x与温度的计算结果如图所示，则p1________(填“>”或“<”)20 MPa，理由是_______。  12、为了有效降低能耗，过渡金属催化还原氮气合成氨被认为是具有巨大前景的一种合成氨方法。催化过程一般有吸附—解离—反应—脱附等过程，图示为N2和H2在固体催化剂表面合成氨反应路径的势能面图(部分数据略)，其中“*”表示被催化剂吸附。回答下列问题： (1)从能量角度分析，催化剂的作用是___________。 (2)合成氨的热化学方程式为___________，反应在___________(填“低温”“高温”或“任意条件”)下可以自发进行。 (3)氨气的脱附是___________(填“吸热”或“放热”)过程。已知氮的吸附分解所需活化能最高，实际生产时适当提高N2的比例更能加快合成氨反应的进行，理由是___________。 (4)若向2 L恒容容器中充入1 mol 与足量充分反应，10 min时反应恰好达平衡状态，此时测得反应放热27.6 kJ，则0～10 min ___________mol·L-1·min-1，N2的平衡转化率为___________。 (5)仅从平衡移动角度分析，合成氨最适宜采用的条件是___________(填“高温高压”“高温低压”“低温高压”或“低温低压”)。 13．氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。 (1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数的值。 反应 大气固氮 工业固氮 温度/℃ 27 2000 25 400 450 平衡常数 0.1 0.507 0.152 ①分析数据可知：大气固氮反应属于___________(填“吸热”或“放热”)反应；人类不适合大规模模拟大气固氮的原因：___________。 ②从平衡视角考虑，工业固氮应该选择常温条件，但实际工业生产却选择左右的高温，解释其可能的原因：___________。 (2)工业固氮是人工固氮的主要手段，对人类生存、社会进步和经济发展都有着重大意义。工业固氮的反应历程和能量变化如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物质用“·”标注。 ①  ___________。 ②在和两个步骤中对总反应速率影响较小的步骤是___________(写化学方程式)，该步骤的活化能为___________。 (3)实验室模拟工业固氮，在压强为的恒压容器中充入和，反应混合物中的物质的量分数随温度的变化曲线如图所示，其中一条是经过一定时间反应后的曲线，另一条是平衡时的曲线。 ①图中表示平衡时的曲线是___________(填“曲线I”或“曲线II”)。 ②图中b点：___________(填“>”“=”或“<”) ③时，该反应的压强平衡常数的代数式___________(用平衡分压代替平衡浓度计算，平衡分压总压物质的量分数，用含的代数式表示，列式无需化简)。 14、氨作为零碳燃料和氢能载体，能通过氨热分解法制氢、氨电解法制氢，使其在构建“氢能社会”方面发挥重要作用，对保障国家能源安全和实现“双碳”目标具有重要意义。回答下列问题： 氨热分解法制氢的反应原理为2NH3(g)⥫⥬N2(g)+3H2(g)，氨制氢过程中的能量变化如图所示。 (1)2NH3(g)⥫⥬N2(g)+3H2(g)　ΔH=________kJ·mol-1，其能够自发进行的条件为________(填“高温”“低温”或“任何温度”)。  (2)①某温度下，在不同催化剂体系中，氨气以一定流速通过绝热反应管，如图1所示，测得出口处氨气分解率随温度变化曲线如图2所示(图2温度范围内，催化剂活性不变)。 下列说法不正确的是________(填字母)。  A.催化效果最好的是催化剂Ⅰ B.如果增大气体流速(其他条件不变)，则X点对应的点可能变为c C.如果用膜分离技术及时分离出H2，可以提高氨气的分解率 D.L1处与L3处氨分解反应的平衡常数K相等 ②温度越高，NH3的分解率越接近平衡分解率的原因是______________________。  (3)在1 470 K、100 kPa反应条件下，将n(NH3)∶n(Ar)=1∶1的混合气进行NH3热分解反应：2NH3(g)⥫⥬N2(g) +3H2(g)，平衡时混合气中NH3与H2的分压相等，则平衡常数Kp=________kPa2(用分压计算的平衡常数为Kp，分压=总压×物质的量分数)。  第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $ 第12讲 化学反应条件的优化 学习目标 1、知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用。 2、通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值。 知识导图 新知精讲 【知识点1】合成氨反应的条件优化 一、合成氨反应的限度与速率 1.合成氨反应的特点 N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。 2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物氮气或氢气的浓度 增大某一反应物的浓度，降低反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度 从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨生产的适宜条件 合成氨的生产流程： 1.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。 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备的要求和技术条件等。 2.合成氨反应的适宜条件 (1)压强：目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。 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就越高，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：实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 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，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 (3)催化剂： ①目前，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。 ②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，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发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。 ③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？ 因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程称为催化剂中毒。原料气必须经过净化。 (4)浓度 及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 (5)投料比 ①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)=1∶3时，氨的平衡体积分数最大。 ②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率、适当提高N2比例，加快合成氨的反应速率。  (6)其他：兼顾环境保护和社会效益。 【典例分析】 【例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 【详解】合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的；合成氨是一个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(N2)浓度或减小反应产物(NH3)浓度，会使平衡向正反应方向移动，D正确；加入催化剂可提高反应速率，但对平衡移动无影响，B错误。 【例2】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②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C.步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 D.步骤③④均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】A 【详解】步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒，故A正确；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，故B错误；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，而不是温度越高越大，故C错误；催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，合成氨反应为放热反应，高温不利于平衡正向移动，而液化分离出NH3和N2、H2的循环再利用均可以使平衡正向移动，所以步骤④⑤有利于提高原料的平衡转化率，步骤③不利于提高原料的平衡转化率，故D错误。 【例3】在硫酸工业中，SO2的氧化、SO2的除去都是必不可少的步骤。 SO2的氧化：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SO2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 (1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是____。 (2)在实际生产中，选定的温度为400~500 ℃，原因是____________________。  (3)在实际生产中，采用的压强为常压的原因是______________________。  (4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是______________________。  【答案】(1)10 MPa、450 ℃　(2)保持较高反应速率，且在此温度下催化剂活性最高　(3)常压下SO2的平衡转化率已经很高，若再加压，对设备、动力要求较高，成本增加，不符合经济效益　(4)增大反应物氧气的浓度，提高SO2的转化率 【知识点2】探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 项目活动1　选择合适的化学反应 1.工业废气中二氧化碳可采取的治理方向： ①将二氧化碳捕获并存储(转化为无机碳酸盐)。 ②将二氧化碳高效转化为重要化学品、能源产品和材料等。 2.科研人员提出多种转化利用二氧化碳的方法和途径，其中利用二氧化碳合成甲醇是重要的研究方向之一。阅读教材相关内容，总结“选择二氧化碳作为碳源合成甲醇是基于哪些方面的原因？” ①甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料；甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一，它易传输，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料。 ②我国目前合成甲醇的主要原料煤和重渣油都日渐减少，人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。 ③利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径。 3.设计适于工业生产的化学反应时， 首先要考虑：反应在指定条件下能否正向自发进行；  其次考虑：原料的来源、可能出现的副反应等。  4.由CO2合成CH3OH，从元素守恒和原子利用率的角度推测，还需要的反应物可能是H2或H2O。 5.利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇可能涉及的化学反应如下： ①CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g) ②CO2(g)+2H2O(g)===CH3OH(g)+O2(g) 反应 ΔH/(kJ·mol-1) ΔS/(J·mol-1·K-1) ① -48.97 -177.16 ② +676.48 -43.87 (1)通过上表数据分析判断两个反应在常温下的自发性。 对于反应①，由于ΔH<0、ΔS<0，低温时，ΔH-TΔS<0，反应能正向自发进行。 对于反应②，由于ΔH>0，ΔS<0，ΔH-TΔS在任何温度下均大于0，不能通过改变温度使其正向自发进行。 (2)你认为哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？ 反应①更适宜于甲醇的工业生产。 项目活动2　选择适宜的反应条件 1.研究发现，以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应： CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.17 kJ·mol-1 ΔS=+42.08 J·mol-1·K-1。 分析该副反应自发进行的条件。 高温自发。自发进行的条件：ΔH-TΔS<0，则T> K≈978.37 K。 2.分析主反应和副反应的特征 主反应：CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·mol-1 副反应：CO2(g)+ H2(g)===CO(g) + H2O(g)　ΔH=+41.17 kJ·mol-1 (1)将这两个反应各自有利的条件填入下表。 浓度 压强 温度 催化剂 主反应 增大反应物浓度有利 高压有利 低温有利 提高选择性，促进主反应 副反应 增大反应物浓度有利 无影响 高温有利 抑制副反应 (2)归纳以二氧化碳和氢气为原料工业生产甲醇的反应选择适宜的反应条件。 ①低温。因为低温有利于该反应自发进行，对应的ΔH<0，低温有利于平衡正向移动，提高反应物的平衡转化率。 ②高压。因为该反应的ΔS<0，高压既有利于平衡正向移动，提高反应物的平衡转化率，又有利于提高反应速率。 ③适宜的催化剂。因为该反应有副反应发生，且低温下反应速率不大，采用适宜的催化剂，既能抑制副反应，又能提高反应速率。 ④适当增加H2的浓度，对主反应更有利。 3.结合教材资料卡片综合选择优化的反应条件。 (1)分析教材“资料1　反应物的物质的量之比对反应的影响”的表格数据 可得出的结论是： n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好，文献大多选择的是n(H2)∶n(CO2)=3∶1，可能是方程式系数和成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。 (2)分析教材“资料2　压强与温度对甲醇产率的影响”图像 总结： ①压强：温度为523 K，n(H2)∶n(CO2)=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。 ②温度：总压为5 MPa，n(H2)∶n(CO2)=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，从图中数据变化可看出，温度过高后，甲醇产率下降。 (3)分析教材“资料3　催化剂的组成对反应的影响”表格数据 可得出结论：以CuO和ZnO为基体时，适当增加ZrO2和MnO可以提高甲醇的选择性和时空收率。 4.根据以上实验数据分析，CO2合成甲醇应选择的条件是： 可以初步确定投料比在n(H2)∶n(CO2)=3∶1，温度在520 K左右，压强为5 MPa，可以选择CuO、ZnO为基体、ZrO2和MnO为辅料的催化剂。 5.工业生产实际中的其他实际问题 还需配置的辅助设备包括：二氧化碳富集装置、甲醇⁃水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。 【归纳总结】 (1)设计化学反应解决实际问题的一般思路 (2)选择适宜条件的优化思路 【典例分析】 【例1】二氧化碳的合理利用有利于实现碳中和，常用以下两种方法实现二氧化碳的转化。 方法一：二氧化碳加氢合成甲烷：CO2(g)+4H2(g)⥫⥬CH4(g)+2H2O(g)； 方法二：二氧化碳加氢合成甲醇：CO2(g)+3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1， 反应过程中会有副反应：CO2(g)+H2(g)⥫⥬CO(g)+H2O(g)　ΔH2，一定条件下，按方法二合成甲醇，温度对CH3OH、CO平衡产率的影响如图所示。下列说法不正确的是 A.ΔH1<0，ΔH2>0 B.增大压强有利于加快合成反应的速率 C.选用合适的催化剂可以降低CO的平衡产率 D.生产过程中，高温不利于提高CH3OH的产率 【答案】C 【详解】由图可知，主反应：温度升高，CH3OH的平衡产率降低，平衡逆向移动，故ΔH1<0；副反应：温度升高，CO的平衡产率升高，平衡正向移动，故ΔH2>0，A正确；增大压强可使气体浓度增大，加快反应速率，B正确；催化剂不影响平衡移动，无法降低CO的平衡产率，C错误；由图可知，温度升高，CH3OH的平衡产率降低，故高温不利于提高其产率，D正确。 【例2】我国科学家研制出CO2与H2合成甲醇的高效催化剂。下列有关该反应的说法错误的是 A.有利于减排CO2 B.反应生成甲醇和水 C.有利于碳资源循环利用 D.该高效催化剂提高了CO2的平衡转化率 【答案】D 【详解】用CO2生产甲醇，有利于减排CO2，A正确；根据质量守恒知反应生成甲醇和水，B正确；CO2与H2合成甲醇，甲醇在燃烧后产生二氧化碳，所以有利于碳资源循环利用，C正确；催化剂只能加快反应速率，对CO2的平衡转化率没有影响，D错误。 【例3】CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应： 反应Ⅰ：CO2(g)+H2(g)⥫⥬CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.2 kJ·mol-1 反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)⥫⥬CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-122.5 kJ·mol-1 在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。 其中：CH3OCH3的选择性=×100% (1)温度高于300 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是_________。  (2)220 ℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有______。  【答案】(1)反应Ⅰ的ΔH>0，反应Ⅱ的ΔH<0，温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化为CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度　(2)增大压强，使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂 课后精练 1．用催化还原，是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应原理为   。下列说法正确的是 A．仅从平衡角度考虑，高压条件有利于柴油机车尾气的净化 B．使用合适的催化剂可以提高活化分子百分率，增大反应速率 C．上述反应只有在高温下才能正向自发进行 D．为减小柴油机车辆尾气对空气的污染，通入越多越好 【答案】B 【详解】A．该反应气体分子数增加（反应物，生成物），根据勒夏特列原理，高压使平衡向气体分子数减少的方向（逆向）移动，不利于尾气净化，A错误； B．催化剂通过降低活化能，提高活化分子百分率，从而增大反应速率，B正确； C．反应（放热）且（气体分子数增加），，故在任何温度下均自发进行，C错误； D．过量通入可能导致未反应的的排放，造成二次污染，，D错误； 故答案选B。 2、下列有关合成氨条件选择的说法正确的是 A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率 B.温度越高，速率越快，生产效益越好 C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率 D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率 【答案】A 【详解】适当增加氢气的浓度，促使反应正向进行，可提高氮气的平衡转化率，A正确；合成氨是放热反应，温度升高，反应速率加快，但平衡逆向移动，合成氨的转化率降低，B错误；铁触媒是催化剂，不能改变反应物的平衡转化率，C错误；将氨及时液化分离，使得平衡正向移动，有利于提高氨的产率，D错误。 3．工业合成甲醇的原理为  H<0，其工艺流程如图所示。下列叙述正确的是 A．“干燥净化”的目的是防止催化剂失活 B．合成甲醇时压强越大越好 C．“冷却装置”能提高原料平衡转化率和反应速率 D．采用“高温”有利于提高甲醇的平衡产率 【答案】A 【详解】A．步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒失活，确保工业生产过程中的效率和产品质量，故A正确； B．是气体体积减小的反应，增大压强可以使平衡正向移动，增大反应物的转化率，但压强过大会增加对设备材料和制造的要求，提高投资费用，在实际生产中，压强的选择并不是越大越好，而是需要综合考虑多个因素，故B错误； C．是放热反应，“冷却装置”能提高原料平衡转化率，但不能提高反应速率，故C错误； D．是放热反应，采用“高温”不利于提高甲醇的平衡产率，故D错误； 故选A。 4、工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)，下列说法不正确的是 已知298 K时，ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1 A.在298 K时，该反应能自发进行 B.合成氨反应活化能较大，需要外界提供能量才能发生 C.温度升高，使用铁触媒，反应物活化分子百分数增大，反应速率加快 D.升高温度，该反应v正增大，v逆减小，平衡向逆反应方向移动 【答案】D 【详解】ΔH-TΔS<0时，反应能够自发进行，在298 K时，-92.2 kJ·mol-1-298 K×(-198.2×10-3 kJ·K-1·mol-1)≈ -33.1 kJ·mol-1<0，故在298 K时，该反应能自发进行，故A正确；合成氨为放热反应，但是氮气和氢气反应的活化能很大，需要外界提供能量来启动反应，故B正确；升高温度，反应物分子的能量增加，活化分子百分数增大，使用铁触媒，降低反应的活化能，活化分子百分数增大，都使得有效碰撞次数增多，化学反应速率加快，故C正确；升高温度，该反应的v正、v逆均增大，该反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，故D错误。 5、、和起始的物质的量分数分别为7.5％、10.5％和82％时，在、和不同压强下发生反应：，的平衡转化率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 A．恒压条件下，增加初始用量，增大 B．该反应在常温常压下进行最有利于提高效益 C．压强大小顺序为 D．其他条件不变，若将、初始用量调整为，则增大 【答案】C 【详解】A．恒压条件下，增加初始用量，、的浓度等比例减小，相当于减小压强，该反应是气体体积减小的反应，减小压强，平衡逆向移动，的平衡转化率减小，A错误； B．虽然升高温度，SO2的平衡转化率减小，但实际生产当中除了考虑平衡转化率，还需要考虑反应速率和催化剂活性，常温下反应速率较慢，不利于提高效益，B错误； C．该反应前后气体系数之和减小，相同温度下，增大压强，平衡正向移动，SO2的转化率增大，所以，C正确； D．当SO2的量一定时，氧气的用量越大，SO2的平衡转化率越大，其他条件不变，若将SO2、O2初始用量调整为2∶1，相当于减少了氧气的用量，SO2的平衡转化率减小，D错误； 故选C。 6、工业合成氨的反应为N2+3H2⥫⥬2NH3　ΔH<0。要使氨的平衡产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，充入惰性气体　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂 A.②⑤⑥⑦ B.②③④⑤⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑧ 【答案】C 【详解】①增大体积使压强减小，各物质浓度减小，速率减慢且平衡逆向移动，不符合题意；②减小体积使压强增大，各物质浓度增大，速率加快，平衡正向移动，符合题意；③升高温度速率加快，但是平衡逆向移动，不符合题意；④降低温度，速率减慢，平衡正向移动，不符合题意；⑤恒温恒容再充入N2和H2，N2和H2浓度增大，速率加快，平衡正向移动，符合题意；⑥恒温恒压，充入惰性气体，体积增大，各物质浓度减小，速率减慢，平衡逆向移动，不符合题意；⑦及时分离产生的NH3，导致生成物浓度减小，速率减慢，平衡正向移动，不符合题意；⑧使用催化剂，速率加快，平衡不移动，不符合题意。 7、合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述不正确的是 A.高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应 B.合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率 C.工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率 D.铁触媒的使用有利于提高合成氨单位时间内的生产效率 【答案】C 【详解】合成氨的反应为气体分子数减小的反应，增大压强有利于反应正向进行，A正确；合成氨的反应为可逆反应，原料不能完全反应，采用循环操作，可以提高原料利用率，B正确；合成氨的反应为放热反应，升温会使平衡逆向移动，工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高反应速率，C错误；铁触媒为催化剂，可以大大提高反应速率，有利于提高合成氨单位时间内的生产效率，D正确。 8．工业合成氨是人类科技的一次重大突破，其反应为  ，其流程示意图如下图Ⅰ，下列说法错误的是 已知：阿伦尼乌斯方程为(Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数) A．工业上通常在400℃-500℃下，进行合成氨反应，因为在常温下，反应物中活化分子数较低，发生有效碰撞次数较少，反应速率较慢 B．流程中干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒 C．假设现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图Ⅱ中x1线所示，若使用一种新型催化剂合成氨反应条件降为350℃、1MPa，则使用该催化剂下图像为x2线 D．流程中装置A的作用是加压，B处的物质主要是液氨 【答案】C 【详解】A．由题干信息可知，合成氨的反应是一个放热反应，升高温度平衡逆向移动即不利于合成氨，则工业上通常在400℃-500℃下，进行合成氨反应是为了提高反应速率，即因为在常温下，反应物中活化分子数较低，发生有效碰撞次数较少，反应速率较慢，A正确； B．该反应需要使用催化剂，原料气中混有杂质气体将破坏催化剂结构而失去活性，即流程中干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒，B正确； C．由阿伦尼乌斯方程为(Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数)可知，Rlnk与关系的直线的斜率为-Ea，即斜率绝对值越大，Ea越大，由题干图示信息可知，x2斜率的绝对值比x1的大，即Ea2更大，假设现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图Ⅱ线所示，若使用一种新型催化剂合成氨反应条件降为350℃、1MPa，即新型催化剂的活化能更小，故使用该催化剂下图像不可能为线，C错误； D．由题干信息可知，合成氨的反应是一个气体体积减小的方向，增大压强平衡正向移动，有利于合成氨，流程中装置A的作用是加压，且氨气易液化，及时分离出NH3也能使平衡正向移动，故B处的物质主要是液氨，D正确； 故答案为：C。 9、诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学的研究中作出的贡献。下列说法正确的是 A.增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率 B.增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率 C.采用正向催化剂时，反应的活化能降低，使反应明显加快 D.工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越有利于提高经济效益 【答案】C 【详解】增大催化剂的表面积只能改变反应速率，不能使平衡移动，所以氨气的产率不变，A项错误；增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率和逆反应速率，B项错误；催化剂可以降低反应的活化能，使活化分子的百分数增大，有效碰撞次数增加，从而加快反应速率，C项正确；压强过高，对设备的要求高，温度越低，催化剂的活性越低，反应速率越慢，不利于提高经济效益，D项错误。 10、CH4⁃CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为 CH4(g)+CO2(g)⥫⥬ 2CO(g)+2H2(g)　ΔH=+247 kJ·mol-1， 同时存在以下反应： CH4(g)⥫⥬C(s)+2H2(g)　ΔH=+75 kJ·mol-1(积碳反应)， CO2(g)+C(s)⥫⥬2CO(g)　ΔH=+172 kJ·mol-1(消碳反应)， 假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是 A.高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳 B.增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳 C.升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大 D.温度高于600 ℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少 【答案】B 【详解】反应CH4(g)+CO2(g)⥫⥬2CO(g)+2H2(g)和CH4(g)⥫⥬C(s)+2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应，增大压强，平衡均逆向移动，可减少积碳量，但CH4的平衡转化率降低，A项错误；假设CH4的物质的量不变，增大CO2的物质的量，CO2与CH4的物质的量之比增大，对于反应CH4(g)+CO2(g)⥫⥬2CO(g)+2H2(g)，平衡正向移动，CH4的浓度减小，对于积碳反应CH4(g)⥫⥬C(s)+2H2(g)，由于甲烷浓度减小，平衡逆向移动，碳含量减少，对于消碳反应CO2(g)+C(s)⥫⥬2CO(g)，平衡正向移动，碳含量减少，综上分析，增大CO2与CH4的物质的量之比，有助于减少积碳，B项正确；平衡常数只与温度有关，积碳反应和消碳反应都是吸热反应，升高温度，平衡均正向移动，两个反应的平衡常数都增大，C项错误；根据图像，温度高于600 ℃，积碳量减少，但温度升高，体系中所有反应的反应速率都加快，D项错误。 11、氨是重要的化工产品，我国目前氨的生产能力位居世界首位。 工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)。 (1)下列关于合成氨说法正确的是________(填字母)。  A.该反应的ΔS<0 B.N2和H2的物质的量之比按1∶2.8，可提高经济效益 C.使用铁触媒做催化剂，可同时降低反应的活化能和反应热 D.降温、高压、使用催化剂都有利于提高NH3的平衡产率 (2)在不同压强下，按照n(N2)∶n(H2)=1∶3进料，反应达到平衡时氨的物质的量分数x与温度的计算结果如图所示，则p1________(填“>”或“<”)20 MPa，理由是_______。  【答案】(1)AB　(2)<　该反应为反应前后气体分子数减小的反应，在相同温度下，增大压强，平衡正向移动 【详解】(1)反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)是气体分子数减小的反应，则反应的熵变ΔS<0，故A正确；N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率，提高经济效益，故B正确；使用铁触媒做催化剂，可降低反应的活化能、加快反应速率，但催化剂不能降低反应热，不能提高NH3的平衡产率，故C、D错误。 12、为了有效降低能耗，过渡金属催化还原氮气合成氨被认为是具有巨大前景的一种合成氨方法。催化过程一般有吸附—解离—反应—脱附等过程，图示为N2和H2在固体催化剂表面合成氨反应路径的势能面图(部分数据略)，其中“*”表示被催化剂吸附。回答下列问题： (1)从能量角度分析，催化剂的作用是___________。 (2)合成氨的热化学方程式为___________，反应在___________(填“低温”“高温”或“任意条件”)下可以自发进行。 (3)氨气的脱附是___________(填“吸热”或“放热”)过程。已知氮的吸附分解所需活化能最高，实际生产时适当提高N2的比例更能加快合成氨反应的进行，理由是___________。 (4)若向2 L恒容容器中充入1 mol 与足量充分反应，10 min时反应恰好达平衡状态，此时测得反应放热27.6 kJ，则0～10 min ___________mol·L-1·min-1，N2的平衡转化率为___________。 (5)仅从平衡移动角度分析，合成氨最适宜采用的条件是___________(填“高温高压”“高温低压”“低温高压”或“低温低压”)。 【答案】(1)降低反应的活化能 (2)  =-92 kJ·mol-1(或其他合理写法) 低温 (3)吸热 适当提高氮气的比例可以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 (4)0.045 30% (5)低温高压 【详解】（1）催化剂可以降低反应所需的活化能，加快反应速率，故从能量角度分析，催化剂的作用是降低反应的活化能； （2）由图可得，反应生成所放出的热量为，故合成氨的热化学方程式为，合成氨反应，由反应自发进行条件可得，该反应在低温下可自发进行； （3）氨气的脱附过程中，由转变为，由图可得为吸热过程，在实际生产中，适当提高氮气的比例可以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，更能加快合成氨反应的进行； （4）10 min时反应恰好达平衡状态，测得反应放热，即生成了，反应了与，故0～10 min ，的平衡转化率为； （5）合成氨反应为且反应前后气体体积减小的反应，故最适宜采用的低温高压的条件； 13．氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。 (1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数的值。 反应 大气固氮 工业固氮 温度/℃ 27 2000 25 400 450 平衡常数 0.1 0.507 0.152 ①分析数据可知：大气固氮反应属于___________(填“吸热”或“放热”)反应；人类不适合大规模模拟大气固氮的原因：___________。 ②从平衡视角考虑，工业固氮应该选择常温条件，但实际工业生产却选择左右的高温，解释其可能的原因：___________。 (2)工业固氮是人工固氮的主要手段，对人类生存、社会进步和经济发展都有着重大意义。工业固氮的反应历程和能量变化如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物质用“·”标注。 ①  ___________。 ②在和两个步骤中对总反应速率影响较小的步骤是___________(写化学方程式)，该步骤的活化能为___________。 (3)实验室模拟工业固氮，在压强为的恒压容器中充入和，反应混合物中的物质的量分数随温度的变化曲线如图所示，其中一条是经过一定时间反应后的曲线，另一条是平衡时的曲线。 ①图中表示平衡时的曲线是___________(填“曲线I”或“曲线II”)。 ②图中b点：___________(填“>”“=”或“<”) ③时，该反应的压强平衡常数的代数式___________(用平衡分压代替平衡浓度计算，平衡分压总压物质的量分数，用含的代数式表示，列式无需化简)。 【答案】(1)吸热 值小，转化率低，需要更高温度，浪费能源等，不适合大规模生产 温度在左右催化剂活性最高，反应速率较快，达到平衡需要的时间较短，从反应速率和催化剂的活性等角度考虑，选择左右更合适 (2)-92 124 (3)曲线I 【详解】（1）①由表中数据可知，大气固氮反应，升高温度时平衡常数K增大，可知反应为吸热反应；该反应K值小，转化率低，需要更高温度，浪费能源等，不适合大规模生产，所以人类不适合大规模模拟大气固氮；故答案为吸热；值小，转化率低，需要更高温度，浪费能源等，不适合大规模生产。 ②工业固氮为氮气和氢气在催化剂作用下生成氨气，温度在左右催化剂活性最高，反应速率较快，达到平衡需要的时间较短，从反应速率和催化剂的活性等角度考虑，选择左右更合适，故答案为温度在左右催化剂活性最高，反应速率较快，达到平衡需要的时间较短，从反应速率和催化剂的活性等角度考虑，选择左右更合适。 （2）①，由图可知，步骤Ⅰ，步骤Ⅱ，步骤Ⅰ+步骤Ⅱ可知反应，由盖斯定律知，故答案为-92。 ②右图可知，步骤的活化能为=124 kJ/mol，步骤的活化能为=352 kJ/mol，步骤的活化能更高，为决速步骤，对总反应速率影响大，所以对总反应速率影响较小的步骤是，故答案为；124。 （3）①由表中数据可知，工业固氮过程中温度升高，K减小，可知正反应为放热反应；温度升高，平衡逆向移动，的平衡物质的量分数逐渐减小，因此曲线I符合平衡状态的变化，故答案为曲线I。 ②图中b点为非平衡状态，在温度不变时，反应向的物质的量分数增大的方向进行才能到达平衡状态，即此时反应正向进行，所以，故答案为。 ③由图可知，时，平衡时的物质的量分数为50%，根据已知信息列三段式： ，，解得，平衡时气体的总物质的量为，该=，故答案为。 14、氨作为零碳燃料和氢能载体，能通过氨热分解法制氢、氨电解法制氢，使其在构建“氢能社会”方面发挥重要作用，对保障国家能源安全和实现“双碳”目标具有重要意义。回答下列问题： 氨热分解法制氢的反应原理为2NH3(g)⥫⥬N2(g)+3H2(g)，氨制氢过程中的能量变化如图所示。 (1)2NH3(g)⥫⥬N2(g)+3H2(g)　ΔH=________kJ·mol-1，其能够自发进行的条件为________(填“高温”“低温”或“任何温度”)。  (2)①某温度下，在不同催化剂体系中，氨气以一定流速通过绝热反应管，如图1所示，测得出口处氨气分解率随温度变化曲线如图2所示(图2温度范围内，催化剂活性不变)。 下列说法不正确的是________(填字母)。  A.催化效果最好的是催化剂Ⅰ B.如果增大气体流速(其他条件不变)，则X点对应的点可能变为c C.如果用膜分离技术及时分离出H2，可以提高氨气的分解率 D.L1处与L3处氨分解反应的平衡常数K相等 ②温度越高，NH3的分解率越接近平衡分解率的原因是______________________。  (3)在1 470 K、100 kPa反应条件下，将n(NH3)∶n(Ar)=1∶1的混合气进行NH3热分解反应：2NH3(g)⥫⥬N2(g) +3H2(g)，平衡时混合气中NH3与H2的分压相等，则平衡常数Kp=________kPa2(用分压计算的平衡常数为Kp，分压=总压×物质的量分数)。  【答案】(1)+90　高温　(2)①ABD　②温度升高，反应速率加快，转化率接近平衡转化率　(3) 【详解】(1)该反应气体分子数增多，所以ΔS>0，若要ΔG<0，则需温度较高，所以该反应在高温自发进行。(2)①由图得，使用催化剂Ⅰ，氨气分解率最低，其效果最差，A错误；增大气体流速，相当于增大氨气浓度，反应正向移动，但分解率降低，故B错误；及时分离H2，使得反应正向移动，氨气分解率提高，C正确；反应容器绝热，所以容器内部温度不等，L1处和L3处的平衡常数不相等，D错误。②温度越高，在相同气体流速和反应时间相同的情况下，反应速率越快，达到平衡时间越快，而催化剂不改变平衡移动，所以温度越高，氨气分解率曲线越和平衡分解率曲线重合。(3)设通入1 mol氨气、1 mol Ar，平衡时转化n mol氨气，则生成0.5n mol氮气，生成1.5n mol氢气，平衡时混合气中氨气与氢气分压相等，所以其物质的量相等，则1-n=1.5n，解得n=0.4，所以平衡时氨气物质的量为0.6 mol，氢气为0.6 mol，氮气为0.2 mol，气体总物质的量为(0.6+0.6+0.2+1)mol=2.4 mol，则平衡常数Kp= kPa2= kPa2。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $