2.4 化学反应的调控（培优讲义）化学人教版选择性必修1

第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 考点 1 合成氨反应条件的选择 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)可逆性：反应为可逆反应 (2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应 (3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行 2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 原理分析：根据合成氨反应的特点，利用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。 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 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度 3．工业合成氨的适宜条件 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 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8] 【进阶典例】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 【解析】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。 解题点睛 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 【拔高典例】如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： (1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 (2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 【答案】(1)放热　92 (2)b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能 (3)D　(4)①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B 【解析】(1)由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)每生成2 mol NH3放出(600－508) kJ＝92 kJ热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1。 　　　　　　 CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g) 起始浓度/mol·L－1　 0.2　　　0.3　　　　0　　　 0 转化浓度/mol·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3 2和3 min浓度/(mol·L－1) 0.1 0.2 0.1 0.3 3～4 min转化浓度/mol·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min时浓度/mol·L－1 0.09 0.19 0.11 0.33 【对点练1】开发催化加氢合成甲醇技术是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。某温度下，在恒容密闭容器中投入一定量和，发生反应：，下列有关说法正确的是 A．加入合适的催化剂，能提高单位时间内的产量 B．升高反应温度有利于提高的平衡转化率 C．平衡后再通入适量，平衡正向移动，的转化率增大 D．当和的物质的量之比不变时，反应达到平衡状态 【答案】A 【解析】A．加入合适的催化剂可降低反应活化能，加快反应速率，能提高单位时间内的产量，A正确； B．该反应正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，的平衡转化率降低，B错误； C．平衡后通入适量，平衡正向移动，但的转化率减小，的转化率增大，C错误； D．反应过程中生成的和的物质的量之比始终为，该比值不变不能说明反应达到平衡状态，D错误； 故选A。 【对点练2】（25-26高二上·贵州遵义·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a mol 和b mol ，若在一定条件下t min后反应达到平衡，平衡后容器中剩余c mol 。 ①达到平衡时，的转化率为________(用含a、b、c的式子表示)。 ②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)，的转化率________。 (2)在合成氨工业中，原料气(、及少量CO、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为提高的平衡转化率，可采用的措施是________(填序号)。 a．增大的浓度    b．低温    c．低压    d．使用合适的催化剂 【答案】(1) 增大 增大 (2)低温、高压 (3)d (4)高温自发 ac 【解析】（1）列三段式如下： 的转化率；把容器的容积缩小一半，相当于使压强增大，反应速率增大，反应向气体分子数减小的方向移动，即正反应方向移动，此时的转化率增大； （2）该反应为放热反应，同时也为气体分子数减小的反应，因此，降低温度和增大压强都会使反应正向移动，所以适宜的生产条件为低温、高压； （3）a．循环操作是将未反应的原料气回收再利用，它并不改变单位时间内分子的碰撞频率或活化能，因此不能直接增大化学反应速率，a错误； b．根据化学平衡移动原理，平衡混合物中氨的含量（即产率）主要取决于反应温度和压强。降低温度、增大压强有利于平衡向生成氨的方向移动，从而提升氨的含量。循环操作是在平衡发生之后将未转化的气体重新导入，它改变的是原料的总转化量，不会改变反应达到平衡时的转化率（即平衡时混合气体的成分比例），b错误； c．物质的沸点是其本身的物理性质，受外界压强等因素影响，但循环操作这一工艺流程并不能改变氨的沸点。工业上分离氨气是通过加压、降温使其液化，而不是靠“降低沸点”来实现的，c错误； d．这也是合成氨工业采用循环操作的根本目的。由于合成氨反应是可逆反应，反应物无法一次性全部转化为生成物。经过冷凝分离出氨气后，剩余的氮气和氢气如果直接排放会造成极大的原料浪费和环境污染。循环操作将这些未反应的气体重新送回合成塔参与反应，从而大大提高了原料（氮气和氢气）的利用率，降低生产成本，提高经济效益，d正确； 故选d。 （4）①该反应气体分子数增大，所以，又因为所以该反应为高温自发反应； ②a．增大反应物的浓度会使反应平衡正向移动，可以提高的平衡转化率，a正确； b．该反应为吸热反应，降低温度会使反应平衡逆向移动，因此低温条件会降低的平衡转化率，b错误； c．该反应为气体分子数增大的反应，降低压强可以使反应平衡正向移动，因此低压条件可以提高的平衡转化率，c正确 d．催化剂只能改变反应速率，不能使化学平衡发生移动，因此不能提高转化率，d错误； 故选ac。 1．（25-26高二上·山东青岛·期中）美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为的新催化剂在常温下合成氨，反应方程式可表示为。下列有关说法正确的是 A．新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键 B．新法合成氨不需要在高温条件下进行，可节约大量能源 C．传统合成氨方法的ΔH >0，新型合成氨方法的ΔH <0 D．新催化剂提高了单位体积内活化分子数目，加快了化学反应速率，使平衡正向移动 【答案】B 【解析】A．化学反应的本质是旧化学键断裂和新化学键形成，新法合成氨属于化学反应，所以反应中一定需要断裂化学键，A错误； B．由分析可知，新催化剂可降低反应的活化能，使反应在常温下即可进行，所以与传统合成氨相比，新法合成氨无需高温条件，可节约大量能源，B正确； C．催化剂只能改变反应的活化能，但不能改变反应物和生成物的总能量差，反应的焓变不变，合成氨为放热反应，所以传统和新型合成氨方法的焓变均小于0，C错误； D．新催化剂能降低反应活化能，加快化学反应速率，但平衡不移动，D错误； 故选B。 2．工业合成氨以铁触媒作催化剂的反应机理如图（*表示吸附态，中间部分表面反应过程未标出），的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为：，k为速率常数。下列说法错误的是 A．采用低温、高压合成氨有利于提高平衡产率 B．增大、或的浓度都能提高合成氨速率 C．合成氨反应的ΔH和ΔS都小于0 D．原料气中适当过量，和物质的量之比按1:2.8加入 【答案】B 【解析】A．合成氨的正反应为放热反应，且气体物质的量减小，降低温度、增大压强均使平衡向生成氨的方向移动，有利于提高平衡产率，A正确； B．题给速率式中，氮气和氢气的浓度指数均为正，而氨的浓度指数为-1，增大氨的浓度会降低合成氨速率，B错误； C．合成氨的正反应为放热反应，ΔH<0；反应后气体物质的量减小，体系混乱程度降低，ΔS<0，C正确； D．合成氨反应中氮气与氢气的化学计量比为1:3，按1:2.8投料时氮气适当过量，有利于提高氮气浓度和反应速率，D正确； 故选B。 3．（25-26高三上·陕西咸阳·期末）二氧化碳氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应： Ⅰ.   Ⅱ.   向容积为的密闭容器中投入和，不同温度下，测得时(反应均未平衡)的相关数据见下表： 温度/℃ 400 500 600 乙烷转化率/% 4 9.0 15 乙烯选择性/% 90 80.0 60 注：乙烯选择性。 下列说法正确的是 A．反应活化能：ⅠⅡ B．时，反应Ⅰ的平均速率为 C．其他条件不变，平衡后及时移除，可提高乙烯的产率 D．其他条件不变，增大投料比投料，平衡后可提高乙烷转化率 【答案】C 【解析】A．反应Ⅰ在低温下乙烯选择性更高（400℃为90%，600℃为60%），说明其活化能较低，更容易在低温进行，故活化能Ⅰ<Ⅱ，A错误； B．400℃时，乙烷转化率4%，转化为乙烯的乙烷物质的量为2 mol × 4% × 90% = 0.072 mol，反应Ⅰ的平均速率v(C2H4) = 0.072 mol / (10 L × 5 min) = 1.44 × 10-3 mol·L-1·min-1，与选项给出的2.88 × 10-2 mol·L-1·min-1不符，B错误； C．移除H2O(g)可使反应Ⅰ（生成H2O）平衡右移，促进乙烯生成，同时反应Ⅱ不涉及H2O，移除H2O不会直接影响反应Ⅱ，但整体上乙烯产率提高，C正确； D．增大投料比n(C2H6)/n(CO2)，相当于增加乙烷浓度，平衡时乙烷转化率降低（类似反应物过量时转化率下降），D错误； 故答案选C。 4．（25-26高三上·云南曲靖·期中）在30 MPa下，工业合成氨生产过程中，N2与H2按体积比为1:3投料时，反应混合物中氨的体积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。 下列说法不正确的是 A．图中表示该反应的平衡曲线是Ⅰ B．图中a点，容器内气体n(N2)∶n(NH3)=1:2 C．图中b点，反应速率：v正>v逆 D．控制在500～550 ℃时，平衡混合物中NH3的体积分数最大 【答案】B 【解析】A．合成氨为放热反应，故随着温度的升高，平衡逆向移动，NH3的体积分数会逐渐降低，故曲线Ⅰ表示该反应平衡时的曲线，A正确； B．设反应前N2、H2的物质的量分别为1 mol、3 mol，a点已达到平衡，设此时消耗N2的物质的量为x mol；，平衡时，气体的总物质的量为，且平衡时的体积分数为＝50%，解得，此时n(N2)∶n(NH3)＝，B错误； C．b点后NH3的体积分数仍在增大，说明反应仍在向正反应方向进行，此时v正v逆，C正确； D．曲线Ⅱ表示随着反应的进行，NH3的体积分数逐渐增大，但反应达到平衡状态后继续升温，氨的体积分数减小，图中500～550 ℃时，平衡混合物中NH3的体积分数最大，D正确； 故选B。 5．（25-26高二上·云南昭通·期中）可采用Deacon催化氧化法将工业副产物HCl制成，实现氯资源的再利用。反应的热化学方程式：。如图所示为该法的一种催化机理。下列说法不正确的是 A．Z为反应物，X为生成物 B．降低反应温度，HCl被氧化制的反应平衡常数减小 C．反应制得，转移 D．该反应在低温下能自发进行 【答案】B 【解析】A．由该反应的热化学方程式可知，该反应涉及的主要物质有HCl、O2、CuO、Cl2、H2O；CuO与Y反应生成Cu(OH)Cl，则Y为HCl；Cu(OH)Cl分解生成W和Cu2OCl2，则W为H2O；CuCl2分解为X和CuCl，则X为Cl2.CuCl和Z反应生成Cu2OCl2，则Z为O2.综上所述，X、Y、Z、W依次是、、、；Z为反应物O2，X为生成物Cl2，A正确； B．总反应为放热反应，其他条件一定，降温平衡正向移动，平衡常数增大，B不正确； C．反应制得，氯的化合价由−1升高到0，转移2 mol e-，C正确； D．该反应是一个熵减的放热反应，根据复合判据可得在低温下能自发进行，D正确； 故选B。 6．天然气可用来制备橡胶工业的炭黑，反应为CH4(g)C(s) +2H2(g)  >0，反应到平衡后，下列说法正确的是 A．增大容器的体积，重新达平衡后，平衡常数减小 B．分离出一部分碳，平衡向正反应方向移动，CH4的转化率增大 C．容器体积不变充入稀有气体，压强增大，平衡向逆反应方向移动 D．升高温度既可加快反应速率，又可增大CH4的转化率 【答案】D 【解析】A．平衡常数仅与温度有关，增大容器体积时温度不变，平衡常数不变，A错误； B．为固体，其浓度视为常数，分离出碳不影响平衡移动，转化率不变，B错误； C．容器体积不变充入稀有气体，反应体系中各气体的浓度不变，平衡不移动，C错误； D．升高温度可增大活化分子百分数，加快反应速率；该反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，转化率增大，D正确； 故答案选D。 7．硫酸是重要化工原料，工业生产制取硫酸的原理示意图如下。 下列说法正确的是 A．I的化学方程式： B．Ⅱ中的反应条件都是为了提高平衡转化率 C．将黄铁矿换成硫黄可以减少废渣的产生 D．未转化的合成气(和空气)不必循环使用 【答案】C 【解析】A．反应I的固体产物为，该方程式生成，化学方程式应为，A错误； B．反应Ⅱ中的催化氧化为放热反应，400~500℃是为了保证催化剂活性、加快反应速率，催化剂不改变平衡转化率，常压下平衡转化率已经很高，故反应条件不都是为了提高平衡转化率，B错误； C．黄铁矿反应会生成等废渣，硫黄与反应仅生成，无固体废渣产生，故可减少废渣产生，C正确； D．未转化的若直接排放会污染环境且浪费原料，需要循环使用以提高原料利用率，D错误； 故答案选C。 8．工业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，测得相同时间内的转化率随温度变化如下图所示。下列说法不正确的是 A．b点反应速率 B．升高温度，甲醇平衡转化率会增大 C．生产时反应温度控制在为宜 D．平衡常数，反应速率 【答案】B 【解析】A．b点位于转化率随温度升高而增大的阶段，反应未达到平衡，正向进行，因此，A正确； B．由最高点后温度升高CO转化率降低可知，该反应正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，甲醇平衡转化率减小，B错误； C．温度在范围内CO转化率最高，生产效益最优，因此反应温度控制在该范围为宜，C正确； D．该反应为放热反应，温度越高平衡常数越小，故；温度越高反应速率越快，d点温度高于b点，故，D正确； 故选B。 9．（25-26高二上·山东济宁·期中）和反应过程中能量变化示意图如下。其它条件相同时，下列说法错误的是 A．低温下，以反应②为主 B．反应①、②在低温下均能自发进行 C．升高温度反应①的正反应速率减小，逆反应速率增大 D．从平衡的角度分析，脱除生成的有利条件是高温、低压 【答案】C 【解析】A．反应②活化能低于反应①，低温下活化能低的反应速率更快，以反应②为主，A正确； B．反应①、②均为放热反应，且都是气体分子数减少的反应，根据的自发判据，低温下均满足自发条件，B正确； C．升高温度会使活化分子百分数增大，正、逆反应速率均增大，只是增大程度不同，C错误； D．脱氨反应为，是反应①的逆反应，故，且气体分子数增加，高温（吸热反应升温平衡正向移动）、低压（气体分子数增多减压平衡正向移动）均有利于脱氨，D正确； 故选C。 10．（25-26高二上·安徽芜湖·期中）氢能是一种清洁能源，按照生产过程中的碳排放情况分为灰氢、蓝氢和绿氢。 (1)煤的气化制得灰氢：。该反应的平衡常数表达式______。该方法生产过程有排放。 (2)甲烷水蒸气催化重整制得蓝氢，步骤如下。 Ⅰ、的制取： ①催化反应器中初始反应的生成物为和CO，其物质的量之比为3：1，甲烷和水蒸气反应的化学方程式是______。 ②该反应为吸热反应，为提高的平衡转化率，可采取的措施有______。 a．增大压强    b．升高温度    c．加入合适的催化剂    d．提高 Ⅱ、的富集： 已知830℃时，该反应的平衡常数。在容积不变的密闭容器中，将2molCO与混合加热到830℃，反应达平衡时CO的转化率是______。 Ⅲ、用CaO吸收实现低碳排放。CaO消耗率随时间变化关系如图所示。 ①比较温度高低：______(填“>”或“”)。 ②150分钟后，继续通入时，CaO消耗率明显下降，去除率也明显下降，可能的原因是_____________________________________。 【答案】(1) (2)① bd 80% ＞ 生成的碳酸钙覆盖在氧化钙表面，使得二氧化碳不能与氧化钙接触 【解析】（1）煤的气化制得灰氢：，该反应的平衡常数表达式。 （2）Ⅰ．①甲烷和水蒸气反应生成CO和H2，由题意可知，该反应为可逆反应，反应的化学方程式为。 ②a．增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡转化率降低，故a错误； b．升高温度，平衡正向移动，甲烷平衡转化率提高，故b正确； c．催化剂只能改变反应速率，不能增大反应物的平衡转化率，故c错误； d．提高，甲烷的转化率提高，故d正确； 故选bd。 Ⅱ．假设容器的容积为1L，设平衡时，转化的一氧化碳的物质的量为x mol，列三段式得，反应的平衡常数，解得x=1.6mol，则反应达平衡时，CO的转化率是。 Ⅲ．①根据题给图像可知，T1温度下的反应速率大于T2温度下的反应速率，则T1＞T2。 ②和CaO反应生成碳酸钙，碳酸钙是固体，生成的碳酸钙会覆盖在CaO的表面，阻碍内部CaO的反应，所以150分钟后，继续通入时，CaO消耗率明显下降，去除率也明显下降，可能的原因是生成的碳酸钙覆盖在CaO表面，使得CO2不能与CaO接触。 1．（26-27高三上·安徽·开学考试）CO2催化加氢过程中主要发生下列反应： 反应Ⅰ：             反应Ⅱ：   向恒压密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，发生上述反应，平衡时CO和CH3OCH3的选择性及CO2的转化率随温度的变化如图中实线所示[CH3OCH3的选择性]。 下列说法错误的是 A．图中曲线②表示平衡时CH3OCH3的选择性 B．曲线③表示CO2的平衡转化率 C．在290~340℃范围内，随着温度升高，反应Ⅰ占主导， D．反应状态达X点时，容器中为0.125 mol 【答案】D 【解析】A．反应Ⅱ为放热反应，升高温度平衡逆向移动，的选择性随温度升高而降低，故曲线②表示平衡时的选择性，A正确； B．温度较低时反应Ⅱ占主导，升高温度反应Ⅱ平衡逆向移动，平衡转化率下降；温度较高时反应Ⅰ占主导，，升高温度反应Ⅰ平衡正向移动，平衡转化率上升，故曲线③表示的平衡转化率，B正确； C．范围内，升高温度的选择性上升、的选择性下降，说明反应Ⅰ占主导，且该温度范围内平衡转化率随温度升高而上升，说明反应Ⅰ为吸热反应，，C正确； D．X点平衡转化率为，反应的，的选择性为，根据选择性公式：，得，不是，D错误； 因此答案选D。 2．（2025·陕西咸阳·模拟预测）“球磨法”可在温和的条件下(45℃和)合成氨，氨的最终体积分数可高达。该法分为两个步骤(如图所示)： Ⅰ．铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上，有助于氮分子的解离； Ⅱ．发生加氢反应得到，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到。 下列说法错误的是 A．“球磨法”合成氨过程中氮氮三键发生解离 B．“球磨法”催化剂(Fe)缺陷密度越高，N2的吸附率越低 C．“球磨法”转速不能过快，否则体系升温太快，高温不利于N2吸附 D．“球磨法”不采用高压，是因为低压产率已经较高，加压会增大成本 【答案】B 【解析】A．由图可知，“球磨法”中氮分子被催化剂吸附形成，吸附在铁粉表面的氮分子在缺陷处解离成氮原子，此时断裂了氮氮三键，A正确； B．催化剂()缺陷密度越高，表面积越大，越有利于氮分子被吸附，B错误； C．“球磨法”转速不能过快，否则体系升温太快，温度升高，吸附平衡逆向移动，不利于吸附，C正确； D．在低压时氨的最终体积分数可高达，产率较高且成本较低，加压会增大成本，D正确； 故选B。 3．苯乙烯为合成橡胶和塑料的单体，可用来生产丁苯橡胶、聚苯乙烯等。工业上可用乙苯脱氢的方法制备苯乙烯，反应原理为  。某兴趣小组向密闭容器中通入1 mol乙苯，保持总压为0.1 MPa，测得乙苯的平衡转化率随温度的变化关系如图a线所示，曲线b为在曲线a的反应条件下改变一个条件时测得的变化曲线，下列说法正确的是 A．该反应的 B．曲线b改变的条件可能是保持总压不变，通入惰性气体 C．Q、P两点处，该反应的平衡常数，较大的是Q点 D．600℃时，的物质的量分数为 【答案】B 【解析】A．由图可知，温度升高，乙苯的平衡转化率增大，说明升高温度平衡正向移动，根据化学平衡移动原理，升高温度平衡向吸热反应方向移动，因此正反应为吸热反应，即，A错误； B．乙苯转化为苯乙烯和氢气的反应是气体分子数增大的反应，保持总压不变，通入惰性气体，容器体积会增大，相当于减小压强，根据勒夏特列原理，减小压强平衡向气体分子数增大的方向移动，乙苯的平衡转化率会增大，与曲线b的变化相符，B正确； C．平衡常数K只与温度有关，Q、P两点温度相同，因此平衡常数相等，C错误； D．设600°C时乙苯的平衡转化率为，结合图像可知，600℃时P点乙苯的平衡转化率为40%，即=0.4；起始时乙苯为1 mol，则平衡时：乙苯的物质的量为；苯乙烯的物质的量为；H2的物质的量为；总物质的量为0.6 mol+ 0.4 mol+0.4 mol =1.4mol，H2的物质的量分数为，D错误； 因此答案选B。 4．（25-26高二上·江苏连云港·期末）催化加氢合成二甲醚()是一种实现“碳中和”的理想方法。其中涉及的反应有： Ⅰ.   Ⅱ.   Ⅲ.   在恒容密闭容器中充入4mol，2mol发生反应。平衡时的转化率、CO的选择性(生成物A的选择性)、的选择性随温度变化如图所示(不考虑其他因素影响)。 下列说法正确的是 A．选用高效催化剂能提高平衡时CO的产率 B．曲线a为的选择性曲线 C．260℃时，反应Ⅲ的平衡常数约为0.26 D．高于270℃，反应Ⅰ、Ⅱ平衡正移的程度大于反应Ⅲ平衡逆移的程度 【答案】C 【解析】A．催化剂只能加快反应速率，不影响化学平衡，无法提高平衡时CO的产率，A错误； B．反应Ⅰ（生成）为放热反应，升高温度平衡逆向移动，的选择性应随温度升高而降低。曲线a随温度升高呈上升趋势，不符合二甲醚选择性变化规律，B错误； C．260℃时，转化率为50%，则反应的为2mol×50%=1mol。CO选择性为36%，根据定义：，解得n(CO)=1×36%=0.36mol，即反应Ⅲ生成的，同时生成，二甲醚的选择性为50%，则，解得，则反应Ⅰ消耗的，生成，消耗。反应的二氧化碳总量为1mol，反应Ⅰ消耗的二氧化碳量0.5mol，反应Ⅲ消耗0.36mol，因此反应Ⅱ消耗二氧化碳量1-0.5-0.36=0.14mol，生成水0.14mol，消耗氢气0.42mol。反应Ⅲ消耗的氢气量0.36mol，因此总消耗氢气量：1.5+0.42+0.36=2.28mol，平衡时。结合反应Ⅲ：，通过计算各物质平衡浓度，平衡量=1mol，平衡量=1.72mol，平衡量=1.25mol，CO平衡量=0.36mol。平衡常数，C正确； D．反应Ⅰ、Ⅱ为放热反应，升高温度平衡逆向移动；反应Ⅲ为吸热反应，升高温度平衡正向移动。高于270℃时，Ⅰ、Ⅱ平衡逆移，Ⅲ平衡正移，且反应Ⅲ平衡正移程度大于反应Ⅰ、Ⅱ平衡逆移的程度，D错误； 故选C。 5．（25-26高二上·广东清远·期中）金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途，目前生产钛的方法之一是将金红石转化为，再进一步还原得到钛。回答下列问题： (1)转化为有直接氯化法和碳氯化法。在时反应的热化学方程式及其平衡常数如下： (ⅰ)直接氯化：  ， (ⅱ)碳氯化：  ， ①反应的为___________，___________Pa。 ②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化，其原因是___________。 ③对于碳氯化反应：增大压强，平衡___________移动(填“向左”“向右”或“不”)；温度升高，平衡转化率___________(填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)在，将、C、以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。 ①下列说法中能表明反应达到平衡状态的是___________(填标号)。 a．气体密度不变                 b．气体平均摩尔质量不变 c．CO(g)的浓度不变              d．v正(Cl2)=2v逆(O2) ②反应的平衡常数___________。 ③图中显示，在平衡时几乎完全转化为，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是___________。 (3)碳氯化是一个“气-固-固”反应，有利于“固-固”接触的措施是___________。 【答案】(1)-223 1.2×1014 碳氯化反应气体分子数增加，小于0，是熵增、放热过程，熵判据与焓判据均是自发过程，而直接氯化的体系气体分子数不变、且是吸热过程 向左 变小 (2)abc 7.2×105 为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品，提高效益 (3)将两固体粉碎后混合，同时鼓入Cl2，使固体粉末“沸腾” 【解析】（1）① 根据盖斯定律，将反应(ⅱ)减去反应(ⅰ)即可得到目标反应 。因此，；平衡常数 。② 碳氯化反应中，正反应气体分子数增加（），且为放热反应（），由吉布斯自由能判据 可知，该反应在任何温度下均能自发进行；而直接氯化反应气体分子数不变且为吸热反应，自发进行的趋势远小于碳氯化反应。③ 碳氯化反应的正反应是气体分子数增加的反应，增大压强，平衡向气体分子数减少的方向（即向左）移动；该反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向（即向左）移动，反应物的平衡转化率变小。 （2）① a．在恒压条件下，反应前后气体总质量增加，气体总体积也增加，导致气体平均摩尔质量 发生变化。由 可知，气体密度在反应过程中是变化的，当密度不变时说明达到平衡，a正确； b．反应前后气体总质量和总物质的量均发生变化，平均摩尔质量随之变化，当其不变时说明达到平衡，b正确； c．CO的浓度不变是反应达到平衡状态的直接标志，c正确； d．体系中不存在的对应计量关系，不能说明平衡，d错误; 故选abc。 ② 由图可知，在 时，体系中 的物质的量分数为 0.05，CO 的物质的量分数为 0.6，总压 。则反应 的平衡常数 。③ 实际工业生产中不仅要考虑平衡转化率，还要综合考虑反应速率。虽然 时转化率已经很高，但反应速率较慢，提高温度可以显著加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高生产效益。 （3）固体颗粒越小，比表面积越大，反应接触面积越大。为了促进 与 C 的“固-固”接触，可将两种固体粉碎后混合均匀，并在反应时从底部鼓入 ，使固体粉末在反应器中处于“沸腾”状态，从而极大增加接触面积，加快反应速率。 1 / 10 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司 $ 第二章 化学反应速率与化学平衡 第四节 化学反应的调控 考点 1 合成氨反应条件的选择 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)可逆性：反应为______反应 (2)体积变化：正反应是气体体积______的反应 (3)焓变：ΔH____0，熵变：ΔS____0 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS____0，____自发进行 2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 原理分析：根据合成氨反应的特点，利用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。 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 温度 高温 低温 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．工业合成氨的适宜条件 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 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8] 【进阶典例】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 解题点睛 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 【拔高典例】如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： (1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 (2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 【对点练1】开发催化加氢合成甲醇技术是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。某温度下，在恒容密闭容器中投入一定量和，发生反应：，下列有关说法正确的是 A．加入合适的催化剂，能提高单位时间内的产量 B．升高反应温度有利于提高的平衡转化率 C．平衡后再通入适量，平衡正向移动，的转化率增大 D．当和的物质的量之比不变时，反应达到平衡状态 【对点练2】（25-26高二上·贵州遵义·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a mol 和b mol ，若在一定条件下t min后反应达到平衡，平衡后容器中剩余c mol 。 ①达到平衡时，的转化率为________(用含a、b、c的式子表示)。 ②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)，的转化率________。 (2)在合成氨工业中，原料气(、及少量CO、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为提高的平衡转化率，可采用的措施是________(填序号)。 a．增大的浓度    b．低温    c．低压    d．使用合适的催化剂 1．（25-26高二上·山东青岛·期中）美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为的新催化剂在常温下合成氨，反应方程式可表示为。下列有关说法正确的是 A．新法合成氨能在常温下进行是因为不需要断裂化学键 B．新法合成氨不需要在高温条件下进行，可节约大量能源 C．传统合成氨方法的ΔH >0，新型合成氨方法的ΔH <0 D．新催化剂提高了单位体积内活化分子数目，加快了化学反应速率，使平衡正向移动 2．工业合成氨以铁触媒作催化剂的反应机理如图（*表示吸附态，中间部分表面反应过程未标出），的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为：，k为速率常数。下列说法错误的是 A．采用低温、高压合成氨有利于提高平衡产率 B．增大、或的浓度都能提高合成氨速率 C．合成氨反应的ΔH和ΔS都小于0 D．原料气中适当过量，和物质的量之比按1:2.8加入 3．（25-26高三上·陕西咸阳·期末）二氧化碳氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应： Ⅰ.   Ⅱ.   向容积为的密闭容器中投入和，不同温度下，测得时(反应均未平衡)的相关数据见下表： 温度/℃ 400 500 600 乙烷转化率/% 4 9.0 15 乙烯选择性/% 90 80.0 60 注：乙烯选择性。 下列说法正确的是 A．反应活化能：ⅠⅡ B．时，反应Ⅰ的平均速率为 C．其他条件不变，平衡后及时移除，可提高乙烯的产率 D．其他条件不变，增大投料比投料，平衡后可提高乙烷转化率 4．（25-26高三上·云南曲靖·期中）在30 MPa下，工业合成氨生产过程中，N2与H2按体积比为1:3投料时，反应混合物中氨的体积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。 下列说法不正确的是 A．图中表示该反应的平衡曲线是Ⅰ B．图中a点，容器内气体n(N2)∶n(NH3)=1:2 C．图中b点，反应速率：v正>v逆 D．控制在500～550 ℃时，平衡混合物中NH3的体积分数最大 5．（25-26高二上·云南昭通·期中）可采用Deacon催化氧化法将工业副产物HCl制成，实现氯资源的再利用。反应的热化学方程式：。如图所示为该法的一种催化机理。下列说法不正确的是 A．Z为反应物，X为生成物 B．降低反应温度，HCl被氧化制的反应平衡常数减小 C．反应制得，转移 D．该反应在低温下能自发进行 6．天然气可用来制备橡胶工业的炭黑，反应为CH4(g)C(s) +2H2(g)  >0，反应到平衡后，下列说法正确的是 A．增大容器的体积，重新达平衡后，平衡常数减小 B．分离出一部分碳，平衡向正反应方向移动，CH4的转化率增大 C．容器体积不变充入稀有气体，压强增大，平衡向逆反应方向移动 D．升高温度既可加快反应速率，又可增大CH4的转化率 7．硫酸是重要化工原料，工业生产制取硫酸的原理示意图如下。 下列说法正确的是 A．I的化学方程式： B．Ⅱ中的反应条件都是为了提高平衡转化率 C．将黄铁矿换成硫黄可以减少废渣的产生 D．未转化的合成气(和空气)不必循环使用 8．工业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，测得相同时间内的转化率随温度变化如下图所示。下列说法不正确的是 A．b点反应速率 B．升高温度，甲醇平衡转化率会增大 C．生产时反应温度控制在为宜 D．平衡常数，反应速率 9．（25-26高二上·山东济宁·期中）和反应过程中能量变化示意图如下。其它条件相同时，下列说法错误的是 A．低温下，以反应②为主 B．反应①、②在低温下均能自发进行 C．升高温度反应①的正反应速率减小，逆反应速率增大 D．从平衡的角度分析，脱除生成的有利条件是高温、低压 10．（25-26高二上·安徽芜湖·期中）氢能是一种清洁能源，按照生产过程中的碳排放情况分为灰氢、蓝氢和绿氢。 (1)煤的气化制得灰氢：。该反应的平衡常数表达式______。该方法生产过程有排放。 (2)甲烷水蒸气催化重整制得蓝氢，步骤如下。 Ⅰ、的制取： ①催化反应器中初始反应的生成物为和CO，其物质的量之比为3：1，甲烷和水蒸气反应的化学方程式是______。 ②该反应为吸热反应，为提高的平衡转化率，可采取的措施有______。 a．增大压强    b．升高温度    c．加入合适的催化剂    d．提高 Ⅱ、的富集： 已知830℃时，该反应的平衡常数。在容积不变的密闭容器中，将2molCO与混合加热到830℃，反应达平衡时CO的转化率是______。 Ⅲ、用CaO吸收实现低碳排放。CaO消耗率随时间变化关系如图所示。 ①比较温度高低：______(填“>”或“”)。 ②150分钟后，继续通入时，CaO消耗率明显下降，去除率也明显下降，可能的原因是_____________________________________。 1．（26-27高三上·安徽·开学考试）CO2催化加氢过程中主要发生下列反应： 反应Ⅰ：             反应Ⅱ：   向恒压密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，发生上述反应，平衡时CO和CH3OCH3的选择性及CO2的转化率随温度的变化如图中实线所示[CH3OCH3的选择性]。 下列说法错误的是 A．图中曲线②表示平衡时CH3OCH3的选择性 B．曲线③表示CO2的平衡转化率 C．在290~340℃范围内，随着温度升高，反应Ⅰ占主导， D．反应状态达X点时，容器中为0.125 mol 2．（2025·陕西咸阳·模拟预测）“球磨法”可在温和的条件下(45℃和)合成氨，氨的最终体积分数可高达。该法分为两个步骤(如图所示)： Ⅰ．铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上，有助于氮分子的解离； Ⅱ．发生加氢反应得到，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到。 下列说法错误的是 A．“球磨法”合成氨过程中氮氮三键发生解离 B．“球磨法”催化剂(Fe)缺陷密度越高，N2的吸附率越低 C．“球磨法”转速不能过快，否则体系升温太快，高温不利于N2吸附 D．“球磨法”不采用高压，是因为低压产率已经较高，加压会增大成本 3．苯乙烯为合成橡胶和塑料的单体，可用来生产丁苯橡胶、聚苯乙烯等。工业上可用乙苯脱氢的方法制备苯乙烯，反应原理为  。某兴趣小组向密闭容器中通入1 mol乙苯，保持总压为0.1 MPa，测得乙苯的平衡转化率随温度的变化关系如图a线所示，曲线b为在曲线a的反应条件下改变一个条件时测得的变化曲线，下列说法正确的是 A．该反应的 B．曲线b改变的条件可能是保持总压不变，通入惰性气体 C．Q、P两点处，该反应的平衡常数，较大的是Q点 D．600℃时，的物质的量分数为 4．（25-26高二上·江苏连云港·期末）催化加氢合成二甲醚()是一种实现“碳中和”的理想方法。其中涉及的反应有： Ⅰ.   Ⅱ.   Ⅲ.   在恒容密闭容器中充入4mol，2mol发生反应。平衡时的转化率、CO的选择性(生成物A的选择性)、的选择性随温度变化如图所示(不考虑其他因素影响)。 下列说法正确的是 A．选用高效催化剂能提高平衡时CO的产率 B．曲线a为的选择性曲线 C．260℃时，反应Ⅲ的平衡常数约为0.26 D．高于270℃，反应Ⅰ、Ⅱ平衡正移的程度大于反应Ⅲ平衡逆移的程度 5．（25-26高二上·广东清远·期中）金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途，目前生产钛的方法之一是将金红石转化为，再进一步还原得到钛。回答下列问题： (1)转化为有直接氯化法和碳氯化法。在时反应的热化学方程式及其平衡常数如下： (ⅰ)直接氯化：  ， (ⅱ)碳氯化：  ， ①反应的为___________，___________Pa。 ②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化，其原因是___________。 ③对于碳氯化反应：增大压强，平衡___________移动(填“向左”“向右”或“不”)；温度升高，平衡转化率___________(填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)在，将、C、以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。 ①下列说法中能表明反应达到平衡状态的是___________(填标号)。 a．气体密度不变                 b．气体平均摩尔质量不变 c．CO(g)的浓度不变              d．v正(Cl2)=2v逆(O2) ②反应的平衡常数___________。 ③图中显示，在平衡时几乎完全转化为，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是___________。 (3)碳氯化是一个“气-固-固”反应，有利于“固-固”接触的措施是___________。 1 / 10 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司 $