2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨（题型专练）化学鲁科版选择性必修1

**基本信息** 以工业合成氨为载体，系统整合反应限度、速率、适宜条件及调控的方法体系，通过典例变式构建“原理-应用-普适”的知识逻辑链，培养科学思维与证据推理能力。 **专项设计** |模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |合成氨反应的限度|1典例+3变式|平衡移动原理（温度、压强影响）|从反应自发性、可逆性到平衡影响因素，构建限度分析框架| |合成氨反应的速率|1典例+3变式|速率方程应用（浓度、催化剂作用）|结合速率方程与实验数据，建立速率调控方法| |合成氨生产的适宜条件|2典例+3变式|多因素权衡法（速率/平衡/成本）|整合温度、压强等条件，形成工业优化思维模型| |工业合成氨的综合问题|2典例+3变式|流程分析与计算（平衡常数、转化率）|综合应用限度与速率原理，解决实际生产问题| |化学反应的调控|2典例+3变式|普适性调控原则（条件选择与矛盾化解）|从合成氨拓展至一般反应，培养迁移应用能力|

第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨 （题型突破·举一反三） 题型01 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 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。 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。   【典例1】C   【变式1-1】C 【变式1-2】C 【变式1-3】C 题型02 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。   【典例1】C   【变式2-1】D 【变式2-2】B 【变式2-3】(1)A (2)500℃时催化剂活性高；30MPa压强下综合经济效益高 (3) (4)N2+6H++6e-=2NH3 (5)40% 题型03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700K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 4. 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   【典例1】A 【典例2】D   【变式3-1】B 【变式3-2】B 【变式3-3】C 题型04 工业合成氨的综合问题   【典例1】(1) 增大 增大 (2)低温和高压 (3)d (4)高温自发 b 【典例2】(1)​或 -92 能 (2)高 低 (3)A (4) -1 A   【变式4-1】(1)B (2)AD (3)A 【变式4-2】(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 【变式4-3】(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） 题型05 化学反应的调控 1、影响化学反应进行的因素 首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 2、化学反应的调控 （1）含义：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； （2）考虑实际因素：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；此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 3、工业生产条件的调控原则 (1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。 (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。   【典例1】B 【典例2】B   【变式5-1】A 【变式5-2】C 【变式5-3】C / 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 化学反应条件的优化——工业合成氨 （题型突破·举一反三） 题型01 合成氨反应的限度 题型02 合成氨反应的速率 题型03合成氨生产的适宜条件 题型04 工业合成氨的综合问题 题型05 化学反应的调控 ▌题型01 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 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熵变：ΔS<0，正反应是气体体积 的反应。 ④焓变：ΔH<0，是 反应。 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。 【典例1】(24-25高二上·北京师范大学附属实验中学顺义学校·月考)工业上用氢气和氮气合成氨的反应是放热反应，在氨的实际合成生产时温度常控制在左右，原因是 A．高温有利于提高反应的转化率 B．高温可增大反应的限度 C．时反应催化剂活性最强，反应速率更快 D．高温才可以自发向右进行 【变式1-1】对于工业合成氨的反应，以下分析错误的是 A．可以通过改变温度、压强控制合成氨的反应限度 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应，提高氨气的产率 C．左右比室温更有利于合成氨的反应，提高氨气的产率 D．合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间 【变式1-2】将和充入某密闭容器中，控制适当条件使其充分反应生成。下列关于合成氨反应的说法正确的是 A．该反应是吸热反应 B．温度越高，压强越大，氨的平衡产率越高 C．达到限度时正逆反应速率相等 D．该容器中最终得到 【变式1-3】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：。下面说法正确的是 A．合成氨一般选择400～500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响 B．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率 C．增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本 D．由于在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉 ▌题型02 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。 【典例1】(24-25高二上·山西长治·期中)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 【变式2-1】合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶2.8，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示： 压强 20 MPa 60 MPa 500 ℃ 19.1 42.2 而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明 A．表中所测数据有明显误差 B．生产条件控制不当 C．氨的分解速率大于预测值 D．合成塔中的反应并未达到平衡 【变式2-2】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不正确的是 A．控制原料气，是因为相对易得，适度过量利于提高转化率 B．从合成氨的平衡体系中分理出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 C．热交换的目的是充分利用反应热预热原料气，同时有利于氨气的液化分离 D．原料气的干燥、净化可防止催化剂中毒失效 【变式2-3】合成氨是化学工业的重要基础，传统合成氨和新型合成氨的反应原理分别如下： Ⅰ．传统合成氨原理： 以氮气和氢气为原料反应，  =-92.4 kJ·mol-1。 (1)从化学反应限度的角度分析，合成氨的反应宜选择___________(填字母序号)。 A．低温高压 B．高温低压 C．高温高压 D．低温低压 (2)工业合成氨使用铁基催化剂时，通常选择在500℃和30 MPa条件下进行反应，其原因是___________。 (3)合成氨的净速率方程可表示为：，(“k1”、“k2”为正、逆反应速率常数，随温度升高而增大)，该反应的平衡常数Kp=___________(用含“k1”、“k2”的式子表示)。 Ⅱ．新型合成氨原理： (4)以氮气和氢气作为原料气，采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传导H+)，从而实现了高温常压下高转化率的电解法合成氨，则电解装置中阴极的电极反应式为___________。 (5)以甲烷和氮气作为原料气，按一定流速充入反应釜中，在作催化剂并持续放电的条件下，发生的主要反应如下：6CH4(g)+N2(g)3C2H6(g)+2NH3(g)，还可能发生甲烷碳化等副反应。当原料气流以n(CH4):n(N2)=3:1通过催化剂发生反应时，在反应釜出口处检测到n(NH3):n(N2)=1:2，则氨气的产率为___________。 ▌题型03 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 和 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 ，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 ，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700K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 4. 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 【典例1】(23-24高二上·山东德州·期中)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 【典例2】(23-24高二上·新疆皮山县高级中学·期中)工业上合成氨时一般采用左右的温度，其原因是 ①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在时活性最大 A．只有① B．①② C．②③④ D．①④ 【变式3-1】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：  。下列说法正确的是 A．工业合成氨一般选择是为了促进平衡正向移动 B．工业合成氨中未转化的合成气循环利用，可以提高反应物的转化率 C．压强越大，工业合成氨的综合效益越好 D．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快正反应速率 【变式3-2】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 【变式3-3】工业上制备硫酸的一步重要反应是在400~500℃下的催化氧化反应  。下列有关说法错误的是 A．从理论上分析，为了使尽可能多地转化为，应选择的条件是低温高压 B．在实际生产中控制温度为400~500℃，原因是温度过低速率慢，温度过高转化率低 C．为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D．要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 ▌题型04 工业合成氨的综合问题 【典例1】(23-24高二上·天津南开区·期中)合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。回答下列问题： (1)工业合成氨的反应为。在容积为2L的密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，若在一定条件下tmin后反应达到平衡，平衡后容器中剩余cmolN2. ①该反应的平衡常数表达式_____。 ②达到平衡时，H2的转化率为_____。 ③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为_____。 ④若把容器的容积缩小一半，则正反应速率_____(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，N2的转化率_____。 (2)在合成氨工业中，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：。铜氨液吸收CO适宜的生产条件是_____。 (3)合成氨工业中采用循环操作，主要是为了_____(填序号)。 a．增大化学反应速率b．提高平衡混合物中氨的含量 c．降低氨的沸点d．提高氮气和氢气的利用率 (4)合成氨气的氢气可由天然气制备。 ①其反应为　，该反应自发的条件是_____(填“低温自发”、“高温自发”或“任意温度自发”)。 ②为提高CH4的平衡转化率，可采用的措施是_____(填序号)。 a．使用合适的催化剂b．采用较高的温度 c．采用较高的压强d．延长反应时间 【典例2】(24-25高二上·河北衡水中学)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。回答下列问题： (1)科学家研究利用铁触媒催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“”表示。 上述历程中反应速率最慢的步骤的化学方程式为_______。由图得出合成氨反应的_______，又已知：，则合成氨反应在常温下_______(填“能”或“不能”)自发。 (2)_______温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率，_______温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用400C~500℃。 针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了如下解决方案。 (3)方案：复合催化剂。 下列说法正确的是_______。 A．300℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高 B．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率 C．温度越高，复合催化剂活性一定越高 (4)某合成氨速率方程为：，其中为速率常数，根据表中数据，_______。 实验 c(N2)/mol•L-1 c(H2)/mol•L-1 c(NH3)/mol•L-1 v/mol·L-1·s-1 1 m n p q 2 2m n p 2q 3 m n 0.1p 10q 4 m 2n p 2.828q 在合成氨过程中，需要不断分离出氨的原因为_______。 A．有利于平衡正向移动　　　B．防止催化剂中毒　　　C．提高正反应速率 【变式4-1】是一种重要的工业原料在工农业生产、生活中有着重要作用。以铁为主的催化剂在400~500℃和20~50MPa的条件下，由和合成氨。回答下列问题： (1)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，其中只占15%，所以生产氨的工厂的效率很低 B．由于氨易液化，、是循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C．依据勒夏特列原理，加热是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨厂采用的压强是20~50MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 (2)该反应放热，但仍选择较高温度400~500℃，其原因是___________。 A．适当提高的合成速率 B．适当提高的转化率 C．提高的产率 D．催化剂在500℃左右活性最大 (3)某温度下，在一容积可变的容器中，反应达到平衡时，、和物质的量分别为4mol、2mol和4mol。保持温度和压强不变，对平衡混合物中三者的物质的量做如下调整，可使平衡右移的是___________。 A．均增加1mol B．均减半 C．均减少1mol D．均加倍 【变式4-2】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。_______。 【变式4-3】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______。 ▌题型05 化学反应的调控 1、影响化学反应进行的因素 首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是 、 、 、 等反应条件。 2、化学反应的调控 （1）含义：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； （2）考虑实际因素：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；此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 3、工业生产条件的调控原则 (1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的 ，又要注意催化剂的活性对 的限制。 (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的 。 【典例1】(25-26高二上·安徽安庆第一中学等校·期末)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 【典例2】(25-26高二上·江苏南京师范大学附属中学·期中)乙烯的产量是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。一定条件下和合成乙烯的反应为。向恒容密闭容器中充入和，测得不同温度下的平衡转化率及催化剂的催化效率如图所示。 下列说法不正确的是 A．N点的平衡常数比M点的小 B．时，平衡体系中乙烯的体积分数为 C．时，当的转化率位于点时，保持其他条件不变，延长反应时间有可能使转化率达到 D．在实际生产过程中，应控制反应温度在左右 【变式5-1】合成的一步重要反应为，这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行，则下列有关说法不正确的是 A．提高反应时的温度，可以实现的完全转化 B．在上述条件下，不可能100%地转化为 C．使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 D．通过调控反应条件，可能提高该反应进行的程度 【变式5-2】工业水煤气“液化反应”是在催化剂作用下，由CO2和H2可制得( )其主要反应如下： 主反应： 副反应： 下列说法错误的是 A．升高温度，副反应平衡正向移动 B．选择合适的催化剂可以降低反应的活化能 C．选择高压条件一定能够提高经济效益 D．选择合适的温度能够提高单位时间内产品的产量 【变式5-3】是一种液体燃料。利用和合成的主要反应为 反应I： 反应II： 在密闭容器中，时，平衡转化率、在催化剂作用下反应min所测得的实际转化率及的选择性随温度的变化如图所示。的选择性可表示为。 下列说法不正确的是 A．内，240℃下反应I的速率比在280℃下大 B．280℃时增大压强，的转化率可能会大于40% C．的平衡产率先增大后缓慢减小 D．需研发低温下选择性高的催化剂 / 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 化学反应条件的优化——工业合成氨 （题型突破·举一反三） 题型01 合成氨反应的限度 题型02 合成氨反应的速率 题型03合成氨生产的适宜条件 题型04 工业合成氨的综合问题 题型05 化学反应的调控 ▌题型01 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 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。 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。 【典例1】(24-25高二上·北京师范大学附属实验中学顺义学校·月考)工业上用氢气和氮气合成氨的反应是放热反应，在氨的实际合成生产时温度常控制在左右，原因是 A．高温有利于提高反应的转化率 B．高温可增大反应的限度 C．时反应催化剂活性最强，反应速率更快 D．高温才可以自发向右进行 【答案】C 【详解】A．合成氨反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，反应物转化率降低，A错误； B．反应限度对应平衡转化率，升高温度平衡逆向移动，反应限度减小，B错误； C．500℃时合成氨反应的催化剂活性最强，可显著加快反应速率，提高生产效率，C正确； D．合成氨反应、，根据，低温更有利于反应自发向右进行，D错误； 故选C。 【变式1-1】对于工业合成氨的反应，以下分析错误的是 A．可以通过改变温度、压强控制合成氨的反应限度 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应，提高氨气的产率 C．左右比室温更有利于合成氨的反应，提高氨气的产率 D．合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间 【答案】C 【详解】A．改变温度、压强，可使合成氨的反应平衡发生移动，可改变反应的限度，故A正确； B．增大压强，反应速率增大，且平衡正向移动，提高产率，故B正确； C．合成氨反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，不利于提高氨气的产率，故C错误； D．增大压强，反应速率增大，且平衡正向移动，可提高反应的转化率和氨气的产率，还能缩短到达平衡的时间，故D正确； 故选C。 【变式1-2】将和充入某密闭容器中，控制适当条件使其充分反应生成。下列关于合成氨反应的说法正确的是 A．该反应是吸热反应 B．温度越高，压强越大，氨的平衡产率越高 C．达到限度时正逆反应速率相等 D．该容器中最终得到 【答案】C 【详解】A．合成氨反应为氮气和氢气在催化剂作用下生成氨气，反应为放热反应，A错误； B．合成氨反应为放热、气体分子数减小的反应，低温、高压利于平衡正向移动提高氨的平衡产率，B错误； C．达到限度时，平衡不再移动，正逆反应速率相等，C正确； D．该反应为可逆反应，反应不能进行完全，反应后容器中最终得到NH3的物质的量小于2mol，D错误； 故选C。 【变式1-3】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：。下面说法正确的是 A．合成氨一般选择400～500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响 B．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率 C．增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本 D．由于在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉 【答案】C 【详解】A．合成氨选择，既考虑温度对速率的影响（加快反应速率），也考虑催化剂（铁触媒）的活性，该温度下催化剂活性高，不只是考虑速率， A错误； B．及将氨气及时液化分离，平衡正向移动，但浓度降低了，反应速率会减慢，不是加快，B错误； C．增大压强，平衡正向移动，能提高平衡产率，但压强过大对设备要求高、成本高，实际生产采用20MPa左右可节省设备成本，C正确； D．直接将空气与氢气混合通入反应炉，空气中的氧气会与氢气混合发生爆炸等危险，且空气中含有其他杂质气体，会影响反应，不能直接混合，D错误； 故答案选C。 ▌题型02 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。 【典例1】(24-25高二上·山西长治·期中)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。 【变式2-1】合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶2.8，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示： 压强 20 MPa 60 MPa 500 ℃ 19.1 42.2 而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明 A．表中所测数据有明显误差 B．生产条件控制不当 C．氨的分解速率大于预测值 D．合成塔中的反应并未达到平衡 【答案】D 【详解】A．表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差，A故错误； B．合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当，B错误； C．平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，C错误； D．合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，题目中实际氨浓度（15%）低于表格中20MPa、500℃对应的平衡浓度（19.1%），说明反应未达到平衡。合成氨工业为提高效率，通常不会让反应完全达到平衡（需更长时间），而是通过控制反应物停留时间，使混合物及时排出以维持连续生产，因此，实际浓度低于平衡值的原因是反应未达平衡，而非数据错误或条件控制问题，D正确； 故答案选D。 【变式2-2】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不正确的是 A．控制原料气，是因为相对易得，适度过量利于提高转化率 B．从合成氨的平衡体系中分理出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 C．热交换的目的是充分利用反应热预热原料气，同时有利于氨气的液化分离 D．原料气的干燥、净化可防止催化剂中毒失效 【答案】B 【分析】氮气和氢气混合气体净化干燥后经过压缩机加压，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液态氨，未反应完的氮气和氢气可循环利用。 【详解】A．控制原料气=2.7~2.9，原因之一是因为N2相对易得，适度过量利于提高H2转化率，A正确； B．从合成氨的平衡体系中分理出NH3，此时正反应速率不变，逆反应速率减小，平衡正移，B错误； C．热交换将氨气的热量转给N2和H2，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正确； D．原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，D正确； 故答案选B。 【变式2-3】合成氨是化学工业的重要基础，传统合成氨和新型合成氨的反应原理分别如下： Ⅰ．传统合成氨原理： 以氮气和氢气为原料反应，  =-92.4 kJ·mol-1。 (1)从化学反应限度的角度分析，合成氨的反应宜选择___________(填字母序号)。 A．低温高压 B．高温低压 C．高温高压 D．低温低压 (2)工业合成氨使用铁基催化剂时，通常选择在500℃和30 MPa条件下进行反应，其原因是___________。 (3)合成氨的净速率方程可表示为：，(“k1”、“k2”为正、逆反应速率常数，随温度升高而增大)，该反应的平衡常数Kp=___________(用含“k1”、“k2”的式子表示)。 Ⅱ．新型合成氨原理： (4)以氮气和氢气作为原料气，采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传导H+)，从而实现了高温常压下高转化率的电解法合成氨，则电解装置中阴极的电极反应式为___________。 (5)以甲烷和氮气作为原料气，按一定流速充入反应釜中，在作催化剂并持续放电的条件下，发生的主要反应如下：6CH4(g)+N2(g)3C2H6(g)+2NH3(g)，还可能发生甲烷碳化等副反应。当原料气流以n(CH4):n(N2)=3:1通过催化剂发生反应时，在反应釜出口处检测到n(NH3):n(N2)=1:2，则氨气的产率为___________。 【答案】(1)A (2)500℃时催化剂活性高；30MPa压强下综合经济效益高 (3) (4)N2+6H++6e-=2NH3 (5)40% 【详解】（1）正反应为放热反应，是气体分子数减小的反应，降低温度或增大压强，能使平衡正向移动，从化学反应限度的角度分析，合成氨的反应宜选择低温高压，故选A； （2）实际生产中，通常选择在500℃和30 MPa条件下进行反应，其原因是500℃时催化剂活性高；30MPa压强下综合经济效益高；生产效率更高； （3）=0时，代表反应达到平衡，可得，得Kp=； （4）电解装置中氮气在阴极发生还原反应生成氨气，高质子导电性的SCY陶瓷(能传导H+)，电极反应式为N2+6H++6e-=2NH3； （5）当原料气流以n(CH4):n(N2)=3:1通过催化剂发生反应，假设通入原料气为n(CH4) =3 mol，n(N2)= 1 mol，若甲烷全部反应，可以得到1 mol氨气，列三段式：，可得，x=0.2，则氨气的产率为=40%。 ▌题型03 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700K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 4. 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 【典例1】(23-24高二上·山东德州·期中)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】A．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； B．合成氨是有气体参与的放热反应，温度升高，反应速率加快，但合成氨的转化率降低，B错误； C．铁触媒是催化剂，能使氮气和氢气在较低温度下反应，提高化学反应速率，但是催化剂不能改变平衡移动，C错误；    D．将氨及时液化分离，使得平衡正向移动，利于提高氨的产率，D错误； 故选A。 【典例2】(23-24高二上·新疆皮山县高级中学·期中)工业上合成氨时一般采用左右的温度，其原因是 ①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在时活性最大 A．只有① B．①② C．②③④ D．①④ 【答案】D 【分析】由，可知合成氨为放热的反应，升高温度可加快反应速率，但平衡逆向移动，且温度太高易使催化剂失去活性，以此来解答； 【详解】适当提高氨的合成速率、催化剂在770K左右时活性最大，该温度下转化率已经较高，不考虑转化率及产率； 所以①④说法正确； 故选D。 【变式3-1】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：  。下列说法正确的是 A．工业合成氨一般选择是为了促进平衡正向移动 B．工业合成氨中未转化的合成气循环利用，可以提高反应物的转化率 C．压强越大，工业合成氨的综合效益越好 D．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快正反应速率 【答案】B 【详解】A．工业合成氨选择400~500℃的主要原因是催化剂在该温度范围内活性最高，反应速率更快，而非促进平衡正向移动（放热反应，升高温度，平衡逆向移动），A错误； B．循环利用未转化的合成气，从而提高了原料的利用率，即反应物的转化率提高，B正确； C．增大压强虽有利于平衡正向移动，但压强过高会增加设备成本和能耗，实际生产中需权衡效益，C错误； D．及时分离氨气可减少产物浓度，促进平衡正向移动，反应物、生成物浓度均会降低，反应速率降低，D错误； 故答案选B。 【变式3-2】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。 【变式3-3】工业上制备硫酸的一步重要反应是在400~500℃下的催化氧化反应  。下列有关说法错误的是 A．从理论上分析，为了使尽可能多地转化为，应选择的条件是低温高压 B．在实际生产中控制温度为400~500℃，原因是温度过低速率慢，温度过高转化率低 C．为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D．要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 【答案】C 【详解】A．该反应是一个反应前后气体体积减小的放热的可逆反应，降低温度、增大压强平衡都正向移动，选择的条件是低温高压，A正确； B．选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400-500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，B正确； C．在二氧化硫的催化氧化中，常压下二氧化硫的转化率很高，增大压强会增加成本，C错误； D．要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确； 故选C。 ▌题型04 工业合成氨的综合问题 【典例1】(23-24高二上·天津南开区·期中)合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。回答下列问题： (1)工业合成氨的反应为。在容积为2L的密闭容器中，通入amolN2和bmolH2，若在一定条件下tmin后反应达到平衡，平衡后容器中剩余cmolN2. ①该反应的平衡常数表达式_____。 ②达到平衡时，H2的转化率为_____。 ③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为_____。 ④若把容器的容积缩小一半，则正反应速率_____(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，N2的转化率_____。 (2)在合成氨工业中，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：。铜氨液吸收CO适宜的生产条件是_____。 (3)合成氨工业中采用循环操作，主要是为了_____(填序号)。 a．增大化学反应速率b．提高平衡混合物中氨的含量 c．降低氨的沸点d．提高氮气和氢气的利用率 (4)合成氨气的氢气可由天然气制备。 ①其反应为　，该反应自发的条件是_____(填“低温自发”、“高温自发”或“任意温度自发”)。 ②为提高CH4的平衡转化率，可采用的措施是_____(填序号)。 a．使用合适的催化剂b．采用较高的温度 c．采用较高的压强d．延长反应时间 【答案】(1) 增大 增大 (2)低温和高压 (3)d (4) 高温自发 b 【详解】（1）①该反应的平衡常数表达式； ②根据已知条件列出“三段式” 达到平衡时，H2的转化率为； ③在tmin内以NH3的浓度变化表示的化学反应速率为=； ④若把容器的容积缩小一半，反应物浓度增大，则正反应速率增大，平衡正向移动，N2的转化率增大。 （2）是气体体积减小的放热反应，则铜氨液吸收CO适宜的生产条件是低温和高压。 （3）合成氨工业中采用循环操作，主要是为了提高氮气和氢气的利用率，故选d。 （4）①的、，当时，反应能自发进行，该反应自发的条件是高温自发； ②a．催化剂不改变平衡状态，使用合适的催化剂不能提高CH4的平衡转化率，故a不选； b．该反应为吸热反应，采用较高的温度，平衡正向移动，能提高CH4的平衡转化率，故b选； c．该反应是气体体积增大的反应，采用较高的压强，平衡逆向移动，CH4的平衡转化率减小，故c不选； d．延长反应时间，不能提高CH4的平衡转化率，故d不选； 故选b。 【典例2】(24-25高二上·河北衡水中学)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。回答下列问题： (1)科学家研究利用铁触媒催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“”表示。 上述历程中反应速率最慢的步骤的化学方程式为_______。由图得出合成氨反应的_______，又已知：，则合成氨反应在常温下_______(填“能”或“不能”)自发。 (2)_______温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率，_______温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用400C~500℃。 针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了如下解决方案。 (3)方案：复合催化剂。 下列说法正确的是_______。 A．300℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高 B．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率 C．温度越高，复合催化剂活性一定越高 (4)某合成氨速率方程为：，其中为速率常数，根据表中数据，_______。 实验 c(N2)/mol•L-1 c(H2)/mol•L-1 c(NH3)/mol•L-1 v/mol·L-1·s-1 1 m n p q 2 2m n p 2q 3 m n 0.1p 10q 4 m 2n p 2.828q 在合成氨过程中，需要不断分离出氨的原因为_______。 A．有利于平衡正向移动　　　B．防止催化剂中毒　　　C．提高正反应速率 【答案】(1) ​或 -92 能 (2) 高 低 (3)A (4) -1 A 【详解】（1）该历程中反应速率最慢的步骤是反应消耗能最高或活化能最高，则反应的化学方程式为：Nad+ 3Had=NHad +2Had或Nad+Had=NHad；根据反应历程图可知，热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) -92 kJ/mol；又已知：，则 ，所以合成氨反应在常温下能自发进行。 （2）温度越高，反应速率越快，所以高温有利于提高反应速率；因为正反应为放热反应，所以低温有利于提高平衡转化率。 （3）A．从图中可以看出，300°C， 复合催化剂比单一催化剂的反应速率快，催化效率更高，故A正确； B．催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡产率，所以同温同压下，复合催化剂不能提高氨的平衡产率，故B错误； C．虽然图中显示温度高反应速率快，但温度高到一定程度后，复合催化剂活性就可能不变或变低，故C错误； 故答案为A。 （4）选择实验 1 和 3 进行分析，此时，则。 A．在合成氨过程中，分离出氨、氨的浓度减小，有利于平衡正向移动，A符合；　　　 B．分离出氨不能防止催化剂中毒，B不符合；　　　 C．分离出氨、能降低反应速率，C不符合； 则需要不断分离出氨的原因为A。 【变式4-1】是一种重要的工业原料在工农业生产、生活中有着重要作用。以铁为主的催化剂在400~500℃和20~50MPa的条件下，由和合成氨。回答下列问题： (1)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，其中只占15%，所以生产氨的工厂的效率很低 B．由于氨易液化，、是循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C．依据勒夏特列原理，加热是使化学平衡向正反应方向移动 D．合成氨厂采用的压强是20~50MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 (2)该反应放热，但仍选择较高温度400~500℃，其原因是___________。 A．适当提高的合成速率 B．适当提高的转化率 C．提高的产率 D．催化剂在500℃左右活性最大 (3)某温度下，在一容积可变的容器中，反应达到平衡时，、和物质的量分别为4mol、2mol和4mol。保持温度和压强不变，对平衡混合物中三者的物质的量做如下调整，可使平衡右移的是___________。 A．均增加1mol B．均减半 C．均减少1mol D．均加倍 【答案】(1)B (2)AD (3)A 【详解】（1）A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，通过循环使用氮气和氢气，大大提高了氨气的产率，故A错误； B．由于氨易液化，分离出氨气，通过N2、H2的循环使用，大大提高了氨的产率，故B正确； C．该反应正反应是放热反应，高温不利用氨气的合成，合成氨反应温度控制在500℃左右，在该温度下反应速率较快、催化剂活性较高，故C错误； D．合成氨是可逆反应，增大压强，平衡向着使压强减小的方向移动，有利于生成氨气，提高原料的利用率，故D错误； 故选B； （2）A．合成氨为放热反应，一般采用400～500℃的温度，其原因是适当提高氨的合成速率，A符合题意； B．该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，因此选择较高温度400～500℃，原因不是为了提高的转化率，B不符合题意； C．该反应是放热反应，降低温度平衡正向移动，有利于合成氨，氨的产率能提高，所以选择较高温度400～500℃，原因不是为了提高的产率，C不符合题意； D．选择较高温度400～500℃，是因为催化剂在 500℃左右时活性最大，催化效果最佳，D符合题意； 故选：AD； （3）A．达到平衡时，、和物质的量分别为4mol、2mol和4mol，假设浓度也分别为4 mol/L、2 mol/L、4mol/L，则平衡常数为，均增加1mol，浓度可认为变化为5 mol/L、3 mol/L、5mol/L，此时浓度商，平衡右移，A符合题意； B．在恒压条件下，各组分的物质的量均减半，体系体积减半，各组分的浓度不变，Qc=K，平衡不移动，B不符合题意； C．均减少1mol，、和浓度可认为变化为3 mol/L、1 mol/L、3mol/L，则，平衡左移，C不符合题意； D．在恒压条件下，各组分的物质的量均加倍，体系体积加倍，各组分的浓度不变，Qc=K，平衡不移动，D不符合题意； 故选：A。 【变式4-2】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。 【变式4-3】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）；。 ▌题型05 化学反应的调控 1、影响化学反应进行的因素 首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 2、化学反应的调控 （1）含义：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； （2）考虑实际因素：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；此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 3、工业生产条件的调控原则 (1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。 (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。 【典例1】(25-26高二上·安徽安庆第一中学等校·期末)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。 【典例2】(25-26高二上·江苏南京师范大学附属中学·期中)乙烯的产量是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。一定条件下和合成乙烯的反应为。向恒容密闭容器中充入和，测得不同温度下的平衡转化率及催化剂的催化效率如图所示。 下列说法不正确的是 A．N点的平衡常数比M点的小 B．时，平衡体系中乙烯的体积分数为 C．时，当的转化率位于点时，保持其他条件不变，延长反应时间有可能使转化率达到 D．在实际生产过程中，应控制反应温度在左右 【答案】B 【详解】A．由图可知，温度升高，CO2的平衡转化率降低，所以正反应放热，平衡常数随温度升高而降低，所以N点平衡常数更小，A正确； B．250℃时CO2的平衡转化率为50%，此时反应体系中CO2物质的量为0.5 mol，H2为1.5 mol，生成1 mol水与0.25 mol乙烯，乙烯体积分数为，B错误； C．M1点未达平衡，保持其他条件不变，延长反应时间有可能将反应达到平衡，转化率达到50%，C正确； D．250℃左右催化剂活性最高，且二氧化碳的平衡转化率较高，适合工业生产，D正确； 故选B。 【变式5-1】合成的一步重要反应为，这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行，则下列有关说法不正确的是 A．提高反应时的温度，可以实现的完全转化 B．在上述条件下，不可能100%地转化为 C．使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 D．通过调控反应条件，可能提高该反应进行的程度 【答案】A 【详解】A．该反应为可逆反应，可逆反应不可能完全反应，所以提高反应时的温度，不可能实现二氧化碳的完全转化，A错误； B．该反应为可逆反应，可逆反应不可能完全反应，所以在上述条件下，二氧化碳不可能100%地转化为甲醇，B正确； C．催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高生产效率，C正确； D．该反应为可逆反应，通过调控反应条件，使平衡向正反应方向移动，从而提高反应进行的程度，D正确； 故选A。 【变式5-2】工业水煤气“液化反应”是在催化剂作用下，由CO2和H2可制得( )其主要反应如下： 主反应： 副反应： 下列说法错误的是 A．升高温度，副反应平衡正向移动 B．选择合适的催化剂可以降低反应的活化能 C．选择高压条件一定能够提高经济效益 D．选择合适的温度能够提高单位时间内产品的产量 【答案】C 【详解】A．副反应的，为吸热反应，升高温度平衡正向移动，A正确； B．催化剂通过降低活化能加快反应速率，B正确； C．主反应气体体积减小，高压利于主反应正向移动，但是高压会增加生产成本，经济效益未必提高，C错误； D．选择合适的温度可以加快反应速率，可提高单位时间内产品的产量，D正确； 故选C。 【变式5-3】是一种液体燃料。利用和合成的主要反应为 反应I： 反应II： 在密闭容器中，时，平衡转化率、在催化剂作用下反应min所测得的实际转化率及的选择性随温度的变化如图所示。的选择性可表示为。 下列说法不正确的是 A．内，240℃下反应I的速率比在280℃下大 B．280℃时增大压强，的转化率可能会大于40% C．的平衡产率先增大后缓慢减小 D．需研发低温下选择性高的催化剂 【答案】C 【详解】A．由图可知，0~t min内，的选择性：>，的实际转化率：>，在相同时间里，二氧化碳的实际转化率越高，甲醇的选择性越高，反应I的速率越大，故反应I的速率：>，A正确； B．由盖斯定律可知，增大压强，平衡向气体体积减小的方向进行，故增大压强对于反应I来说平衡正向移动，平衡转化率增大；对于反应II，平衡不移动。由图可知，在时平衡转化率为40%，增大压强后，反应I平衡正向进行，转化率可大于40%，B正确； C．根据方程式可知，平衡产率等于平衡转化率（两反应均生成1mol 均需1mol 转化）。由图可知，在220~280℃时，平衡产率先减小再增大，C错误； D．由题目可知，反应I为放热反应，温度升高，反应逆向进行；反应II为吸热反应，温度升高，反应正向进行。为了提升甲醇选择性，需要在低温下进行，但温度较低时反应速率慢，故需研发低温下高选择性催化剂，D正确。 故答案选C。 / 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 $