2.4 化学反应的调控 讲义 -2026-2027学年高二上学期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　 教师版（含答案与解析） 一、核心素养目标 1．宏观辨识与微观探析 ●　通过合成氨工业的实例，从速率与限度两个视角综合认识温度、压强、浓度、催化剂对化学反应的影响； ●　能从 N₂、H₂ 的分子结构与化学键角度理解合成氨反应放热、熵减、可逆的特征。 2．变化观念与平衡思想 ●　理解“提高反应速率”与“提高平衡转化率”对温度要求的不一致，体会实际生产中条件选择的辩证性； ●　能运用勒夏特列原理与速率理论解释合成氨适宜条件（400~500 ℃、10~30 MPa、铁触媒）选择的原因。 3．证据推理与模型认知 ●　建构“反应特征→理论分析→数据验证→实际条件”的化工条件调控模型，能迁移至硫酸工业等实例； ●　能根据温度-转化率、投料比-含量等图像证据推断适宜工艺条件及催化剂的效能。 4．科学探究与创新意识 ●　通过催化剂活性、催化剂中毒、原料循环等真实工业问题的分析，经历从理论到工程实际的探究过程； ●　能设计简单实验方案比较不同催化剂（如不同铂网）对反应速率与选择性的影响。 5．科学态度与社会责任 ●　认识合成氨对人类粮食安全与工业发展的重大意义，体会化学在“解决粮食问题”中的贡献； ●　树立绿色化学观念，关注生产过程中的环境保护、原料循环利用与综合经济效益。 二、教学重点与难点 教学重点 用化学反应速率与化学平衡原理综合分析合成氨的适宜条件；理解“理论最优”与“实际可行”的辩证关系。 教学难点 综合温度、压强、催化剂、浓度、投料比等多因素进行工业条件选择的推理；催化剂活性、设备与经济效益等实际约束的权衡。 三、知识讲解与典例探究 知识点一　理论分析合成氨反应的条件 方法梳理 1．合成氨反应的特点：合成氨反应为 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）自发性：常温（298 K）下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行；（2）可逆性：该反应是可逆反应；（3）熵变：ΔS＜0，正反应是气体体积减小的反应；（4）焓变：ΔH＜0，正反应是放热反应。 2．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 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 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．数据分析：根据课本表 2-2 在不同温度和压强下（初始时 N₂ 和 H₂ 的体积比为 1∶3）平衡混合物中氨含量的实验数据可知，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的，实验数据分析的结论与理论分析的结论一致。 【例 1】判断下列说法是否正确（正确的打“√”，错误的打“×”）。 （1）工业合成氨的反应是 ΔH＜0、ΔS＜0 的反应，在任何温度下都可自发进行。（　　） （2）在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率。（　　） （3）催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应。（　　） （4）增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率。（　　） （5）合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。（　　） 【答案】（1）×　（2）×　（3）×　（4）√　（5）× 【例 2】合成氨工业的主要反应为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0，在密闭容器中进行。下列说法正确的是（　　） A．其他条件不变，及时分离出 NH₃，会降低 NH₃ 的产率 B．使用催化剂可使 N₂ 的转化率达到 100% C．其他条件不变，增大压强不仅能提高反应物的转化率，还能缩短到达平衡的时间 D．其他条件不变，温度越高，氨气的产率越高 【答案】C 【解析】及时分离出 NH₃，平衡正向移动，利于生成 NH₃，使 NH₃ 的产率增大，A 错误；催化剂不能改变平衡转化率，且反应为可逆反应，N₂ 的转化率一定小于 100%，B 错误；增大压强，反应速率加快，到达平衡的时间缩短，平衡正向移动，可提高反应物的转化率，C 正确；合成氨反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氨气的产率降低，D 错误。 【例 3】研究不同催化剂对 2NH₃⇌N₂＋3H₂ 反应速率的影响。恒温、恒容时，c(NH₃)（×10⁻³ mol·L⁻¹）随时间（min）的变化如下表。 t/min 0 20 40 60 80 催化剂Ⅰ 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80 催化剂Ⅱ 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40 【例 3】选项 A．使用催化剂Ⅰ，0~20 min 平均反应速率 v(N₂)＝1.00×10⁻⁵ mol·L⁻¹·min⁻¹ B．使用催化剂Ⅱ，达平衡后容器内的压强是初始时的 11/6 倍 C．相同条件下，使用催化剂Ⅰ和催化剂Ⅱ的反应热相同 D．相同条件下，使用催化剂Ⅱ可使该反应的化学平衡常数更大 【答案】D 【解析】使用催化剂Ⅰ，0~20 min 氨气浓度变化值为 4×10⁻⁴ mol·L⁻¹，v(NH₃)＝4×10⁻⁴/20 mol·L⁻¹·min⁻¹＝2×10⁻⁵ mol·L⁻¹·min⁻¹，v(N₂)＝½v(NH₃)＝1.00×10⁻⁵ mol·L⁻¹·min⁻¹，A 项正确。三段式：2NH₃(g)⇌N₂(g)＋3H₂(g)，起始浓度/(mol·L⁻¹)：2.4×10⁻³、0、0；变化浓度/(mol·L⁻¹)：2×10⁻³、1×10⁻³、3×10⁻³；平衡浓度/(mol·L⁻¹)：0.4×10⁻³、1×10⁻³、3×10⁻³。恒温、恒容容器内压强之比等于物质的量之比，平衡时与初始时压强之比为(0.4＋1＋3)/(2.4)＝11/6，B 项正确；催化剂只改变反应速率和活化能，不改变反应的反应热，C 项正确；平衡常数只受温度影响，恒温条件下，平衡常数不变，D 项错误。 知识点二　实际工业合成氨的适宜条件 方法梳理 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： ●　压强：目前我国的合成氨厂一般采用的压强为 10~30 MPa。不采用更高压强的理由是：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； ●　温度：实际生产中一般采用的温度为 400~500 ℃。不采用低温的理由是：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； ●　催化剂：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。催化剂对平衡转化率无影响，但在合成氨工业中还要使用催化剂，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，加入催化剂可改变反应历程、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； ●　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。工业上通过将原料气净化的方法防止催化剂中毒； ●　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； ●　投料比：大量实验证明，合成氨反应中当 n(N₂)∶n(H₂)＝1∶3 时，氨的平衡体积分数最大。研究表明，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，原料中 N₂ 适度过量可提高 H₂ 的转化率，且适当提高 N₂ 比例能加快合成氨的速率； ●　其他：兼顾环境保护和社会效益。 图1　工业合成氨的生产流程示意 【例 4】（2024·金华一中高二检测）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 【解析】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；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。 【例 5】合成氨反应：N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)，N₂(g) 与 H₂(g) 反应生成 1 mol NH₃(g) 放出 46 kJ 的热量。该反应通常需要在高温（400~500 ℃）、高压（10~30 MPa）条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是（　　） A．合成氨反应中采用 400~500 ℃ 高温主要是因为此时催化剂的活性最大 B．合成氨反应中采用高压的目的主要是为了促进平衡向右移动 C．合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速率 D．合成氨反应中将 0.5 mol N₂(g) 和 1.5 mol H₂(g) 置于密闭容器中充分反应，其放出热量为 46 kJ 【答案】D 【解析】合成氨正反应为气体体积减小的反应，增大压强化学平衡正向移动，故采用高压的条件，B 正确；合成氨的反应为可逆反应，0.5 mol 氮气和 1.5 mol 氢气无法全部转化为 1 mol 氨气，放出的热量小于 46 kJ，D 错误。 【例 6】在硫酸工业中，通过下列反应使 SO₂ 氧化成 SO₃：2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＝−196.6 kJ·mol⁻¹。（已知：催化剂是 V₂O₅，在 400~500 ℃ 时催化剂效果最好）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/℃ 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，原因是______。 （4）在实际生产中，通入过量的空气，原因是______。 （5）尾气中 SO₂ 必须回收，原因是______。 【答案】（1）450 ℃、10 MPa　（2）在此温度下催化剂活性最高；温度较低会使反应速率减小、达到平衡所需时间较长，温度较高 SO₂ 的转化率会降低　（3）常压下 SO₂ 的转化率已经很高（97.5%），若采用高压，平衡虽向右移动，但效果不明显，且高压会增大对设备的要求、增大生产成本　（4）增大反应物 O₂ 的浓度，有利于提高 SO₂ 的转化率　（5）防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率 【解析】由表中数据可知，450 ℃ 时 SO₂ 的转化率高于 550 ℃ 时，同一温度下压强越大转化率越高，故理论上应选择 450 ℃、10 MPa。实际生产中需综合考虑催化剂活性、设备成本等因素：400~500 ℃ 时 V₂O₅ 活性最高；常压下转化率已达 97.5%，继续加压得不偿失；通入过量空气（增大 O₂ 浓度）有利于平衡正向移动，提高 SO₂ 转化率；尾气回收既防止污染又提高原料利用率。 【例 7】合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＝−92.4 kJ·mol⁻¹。如图 2 为 500 ℃、60.0 MPa 条件下，平衡时 NH₃ 的体积分数与原料气投料比（n(H₂)∶n(N₂)）的关系。 （1）若投料比为 4 时，NH₃ 的体积分数可能为图中的______点。 （2）若投料比为 3 时，NH₃ 的最大体积分数为 42%，计算 H₂ 的平衡体积分数。 图2　500 ℃、60.0 MPa 条件下平衡时 NH₃ 的体积分数与投料比的关系 【答案】（1）P　（2）43.5% 【解析】（1）投料比越大（H₂ 相对越多），氨的体积分数越小，投料比为 4 时氨的体积分数小于投料比为 3 时的最大值 42%，对应图中峰值右侧的 P 点。（2）NH₃ 的最大体积分数即为平衡体积分数，NH₃ 体积分数为 42%，则 H₂、N₂ 的体积分数之和为 58%；投料比 n(H₂)∶n(N₂)＝1∶3（即 3∶1 的 H₂/N₂ 投料比按化学计量反应后，平衡时 H₂ 与 N₂ 的体积比仍为 3∶1），故 H₂ 的平衡体积分数为 58%×3/4＝43.5%。 四、课堂练习　限时 10 分钟，检验当堂学习效果 【练习 1】在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是（　　） A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 【答案】C 【解析】高压对化学平衡有影响，A、D 错；催化剂能加快反应速率，B 错。 【练习 2】N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0，向容器中通入 1 mol N₂ 和 3 mol H₂，当反应达到平衡时，下列措施能提高 N₂ 转化率的是（　　） ① 降低温度 ② 维持温度、容积不变，按照物质的量之比为 1∶3 再通入一定量的 N₂ 和 H₂ ③ 增加 NH₃ 的物质的量 ④ 维持恒压条件，通入一定量惰性气体 A．①④　　B．①②　　C．②③　　D．③④ 【答案】B 【解析】①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为 1∶3 再通入一定量的 N₂ 和 H₂，压强增大，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；③增加 NH₃ 的物质的量，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低；④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低。 【练习 3】合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909 年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0。符合工业合成氨生产实际的是（　　） A．V₂O₅ 作催化剂 B．反应温度由催化剂决定 C．将 N₂ 和 H₂ 液化 D．NH₃ 由吸收塔吸收 【答案】B 【解析】工业合成氨的催化剂是铁触媒，A 错误；催化剂在特定温度下活性最大，催化效率最高，反应温度由催化剂决定，B 正确；将 N₂ 和 H₂ 液化分离平衡逆向移动，不利于合成氨，C 错误；合成氨的生产设备中没有吸收塔，D 错误。 【练习 4】（原创题）工业合成氨的原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0。下列措施中，既能加快合成氨的反应速率，又能提高氨的平衡产率的是（　　） A．使用铁触媒 B．适当增大压强 C．升高温度 D．及时分离出氨气 【答案】B 【解析】使用铁触媒能加快反应速率，但不改变平衡状态，氨的平衡产率不变，A 项不符合题意；该反应正反应是气体体积减小的放热反应，增大压强既加快反应速率，又使平衡正向移动，提高氨的平衡产率，B 项符合题意；升高温度加快反应速率，但平衡逆向移动，氨的平衡产率降低，C 项不符合题意；及时分离出氨气使平衡正向移动、提高氨的产率，但生成物浓度减小，正反应速率逐渐减小，不能加快反应速率，D 项不符合题意。 五、课后作业　A 组·基础巩固　B 组·能力提升 A 组　基础巩固 【作业 1】工业合成氨的主要流程为：①原料气（N₂、H₂）净化；②加压；③在合成塔内发生反应；④冷却；⑤分离出液氨，未反应的 N₂、H₂ 循环使用。下列有关说法错误的是（　　） A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤②中“加压”既可以提高原料的平衡转化率，又可以加快反应速率 C．步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率 D．产品液氨除可用来生产化肥外，还可用作制冷剂 【答案】C 【解析】合成氨使用铁触媒催化剂，为防止催化剂中毒，必须将原料“净化”处理，A 项正确；步骤②中“加压”，可加快合成氨反应速率，又能使平衡右移，提高原料的平衡转化率，B 项正确；步骤③（合成塔内发生反应）不能提高原料的平衡转化率，C 项错误；产品液氨可用酸吸收生产铵态氮肥，液氨汽化时会吸收大量热，可用作制冷剂，D 项正确。 【作业 2】（2025·杭州期中）合成氨问题，关乎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的生产效率 【答案】C 【解析】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，有利于提高合成氨的生产效率，D 正确。 【作业 3】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 【解析】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。 【作业 4】（2024·嘉兴综合素养测试）硫酸工业生产中发生反应：2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＜0，下列说法不正确的是（　　） A．工业生产中常采用合适的催化剂，因为生产中使用催化剂可提高 SO₃ 的生产效率 B．工业上可加入适当过量的 O₂ 以提高 SO₂ 的转化率 C．工业上应综合考虑能耗、催化剂活性等因素来选择合适的温度 D．工业上合成 SO₃ 应采用高压条件，因为高压既可增大反应速率又可以提高反应物的转化率 【答案】D 【解析】催化剂可以提高反应速率，单位时间内生成更多的 SO₃，能提高 SO₃ 的生产效率，A 正确；加入适当过量的 O₂，平衡正向移动，可以提高 SO₂ 的转化率，B 正确；虽然高压有利于化学平衡正向移动，但高压对设备的要求高，增大了生产成本，则工业生产不宜高压，D 错误。 【作业 5】某化工厂生产硝酸的流程如图 3（左）所示；其他条件相同时，装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图 3（右）所示。下列说法不正确的是（　　） 图3　硝酸生产流程示意（左）及铂网成分、温度与氧化率的关系（右） 【作业 5】选项 A．该流程中，①③④发生了氧化还原反应 B．②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离 C．③中最佳反应条件是铂网成分为纯铂、温度为 900 ℃ D．④中通入过量空气可以提高硝酸的产率 【答案】C 【解析】该流程中，①中发生 N₂、H₂ 合成氨的反应，③中存在氨的催化氧化反应，④中氮的氧化物被氧化成 HNO₃，因此均发生了氧化还原反应，A 正确；②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离，B 正确；③中最佳反应条件是铂网成分为含 10% 铑的铂、温度为 900 ℃，C 错误；④中通入过量空气，可使氮的氧化物充分反应，可以提高硝酸的产率，D 正确。 B 组　能力提升 【作业 6】纳米钴常用于 CO 加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H₂(g)⇌CH₄(g)＋H₂O(g)　ΔH＜0，下列说法正确的是（　　） A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应物的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO 的浓度增大 C．从平衡体系中分离出 H₂O(g) 能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高 CO 的平衡转化率 【答案】B 【解析】催化剂的优化不影响平衡的移动，不能提高反应物的转化率，A 项错误；缩小容器体积即增大压强，平衡向气体体积减小的方向即正向移动，体系中各组分浓度均增大，B 项正确；减小 c(H₂O) 时正反应速率瞬间不变，v逆减小，平衡正向移动，C 项错误；升高温度，平衡逆向移动，CO 的平衡转化率降低，D 项错误。 【作业 7】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 4 所示。下列说法正确的是（　　） 图4　一定时间内积碳量与反应温度的关系 【作业 7】选项 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 【解析】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。 【作业 8】在一定的温度和压强下，将按一定比例混合的 CO₂ 和 H₂ 通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。已知：CO₂(g)＋4H₂(g)⇌CH₄(g)＋2H₂O(g)　ΔH＝−165 kJ·mol⁻¹；CO₂(g)＋H₂(g)⇌CO(g)＋H₂O(g)　ΔH＝＋41 kJ·mol⁻¹。催化剂的选择是 CO₂ 甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间，测得 CO₂ 转化率和生成 CH₄ 选择性（CH₄ 选择性＝n(生成 CH₄)/n(转化 CO₂)×100%）随温度的变化如图 5 所示。下列有关说法正确的是（　　） 图5　CO₂ 转化率与 CH₄ 选择性随温度的变化（Ni 与 Ni-CeO₂ 催化剂） 【作业 8】选项 A．在 260~320 ℃，以 Ni-CeO₂ 为催化剂，升高温度 CH₄ 的产量基本不变 B．延长 W 点的反应时间，一定能提高 CO₂ 的转化率 C．反应 CO(g)＋3H₂(g)⇌CH₄(g)＋H₂O(g) 在任何温度下均不能自发进行 D．选择合适的催化剂有利于提高 CH₄ 的选择性 【答案】D 【解析】在 260~320 ℃，以 Ni-CeO₂ 为催化剂，由题图可知，升高温度甲烷的选择性基本不变，但二氧化碳的转化率升高，则甲烷的产量增大，A 错误；W 点可能为平衡点，延长反应时间二氧化碳转化率不变，B 错误；由盖斯定律可得：CO(g)＋3H₂(g)⇌CH₄(g)＋H₂O(g)　ΔH＝−206 kJ·mol⁻¹，该反应的 ΔH＜0、ΔS＜0，低温时可自发进行，C 错误；由题图可知，相同时间内以 Ni 为催化剂，CH₄ 的选择性低于同温度下以 Ni-CeO₂ 为催化剂时 CH₄ 的选择性，因此选择合适的催化剂有利于提高 CH₄ 的选择性，D 正确。 【作业 9】人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch 合成 NH₃ 法是以铁为主要催化剂、在 400~500 ℃ 和 10~30 MPa 的条件下，由 N₂ 和 H₂ 直接合成 NH₃。 （1）上述反应生成 17 g NH₃ 时放出 46 kJ 热量，写出该反应的热化学方程式：______。 （2）我国科学家研制出一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到 350 ℃、1 MPa，该催化剂对工业生产的意义是______。 （3）在 2 L 恒容密闭容器中，按投料比（n(H₂)∶n(N₂)）分别为 1∶1、2∶1、3∶1 进行反应，相同时间内测得 N₂ 的转化率与温度、投料比的关系如图 6 所示（不考虑催化剂失活）。 ① 曲线Ⅰ表示投料比＝______。某温度下，曲线Ⅰ对应反应达到平衡时 N₂ 的转化率为 x，则此时混合气体中 NH₃ 的体积分数为______（用含 x 的代数式表示）。 ② 下列有关图像的分析错误的是______（填字母）。 A．投料比越大，H₂ 的平衡转化率越大 B．T＜T₀，投料比一定时，升高温度，反应速率增大 C．T＞T₀，投料比一定时，升高温度，平衡向左移动 D．T＞T₀，投料比一定时，升高温度，反应速率减小 图6　相同时间内 N₂ 的转化率与温度、投料比的关系 【答案】（1）N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＝−92 kJ·mol⁻¹　（2）节能、降低生产成本（答案合理即可）　（3）① 3∶1　2x/(4−2x)×100%　② AD 【解析】（1）17 g NH₃ 的物质的量是 1 mol，生成 1 mol NH₃ 时放出 46 kJ 热量，则生成 2 mol 氨气放出的热量是 92 kJ，所以该反应的热化学方程式是 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＝−92 kJ·mol⁻¹。（2）该新型催化剂可将合成氨的温度、压强分别降到 350 ℃、1 MPa，显著降低能耗，节能、降低生产成本。（3）①在相同温度下，投料比（n(H₂)∶n(N₂)）越大，氮气的转化率越高，则曲线Ⅰ表示投料比＝3∶1。设 H₂、N₂ 的初始物质的量分别为 3 mol、1 mol，列出三段式：N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)，起始/mol：1、3、0；转化/mol：x、3x、2x；平衡/mol：1−x、3−3x、2x。混合气体中 NH₃ 的体积分数为 2x/(1−x＋3−3x＋2x)×100%＝2x/(4−2x)×100%。②投料比越大，H₂ 的平衡转化率越小，A 错误；投料比一定时，升高温度，化学反应速率增大，B 正确、D 错误；该反应是放热反应，平衡之后升高温度，平衡逆向移动，C 正确。 【作业 10】工业上，常采用氧化还原法处理尾气中的 CO、NO。已知沥青混凝土可作为反应 2CO(g)＋O₂(g)⇌2CO₂(g) 的催化剂。如图 7 表示在相同的恒容密闭容器中，相同起始浓度、相同反应时间段内，使用相同质量的不同沥青混凝土（α、β 型）催化时，CO 的转化率与温度的关系。 （1）在 a、b、c、d 四点中，一定未达到平衡状态的是______。 （2）已知 c 点时容器中 O₂ 浓度为 0.04 mol·L⁻¹，则 50 ℃ 时，在 α 型沥青混凝土中 CO 转化反应的平衡常数 K＝______（用含 x 的代数式表示）。 （3）CO 转化反应的平衡常数：K(a)______（填“＞”“＜”或“＝”）K(c)。 （4）在均未达到平衡状态时，相同反应时间段内，同温下______（填“α”或“β”）型沥青混凝土中 CO 转化速率大。 （5）e 点转化率出现突变的原因可能是______。 图7　使用 α、β 型沥青混凝土催化时 CO 的转化率与温度的关系 【答案】（1）a　（2）x²/[0.04(1−x)²]　（3）＞　（4）β　（5）温度较高，催化剂失去活性 【解析】（1）由题图可知，相同反应时间段内，随着温度的升高，CO 的转化率先增大后减小。温度越高反应速率越快，则温度较低时未达到平衡状态；达到平衡状态后，随着温度的升高平衡发生移动，2CO(g)＋O₂(g)⇌2CO₂(g) 是放热反应，升高温度 CO 的转化率降低，故 a 点反应未达到平衡状态。（2）c 点时 CO 的转化率为 x，设 CO 的起始浓度为 a mol·L⁻¹，三段式：2CO(g)＋O₂(g)⇌2CO₂(g)，起始浓度/(mol·L⁻¹)：a、a/2、0；变化浓度/(mol·L⁻¹)：ax、ax/2、ax；平衡浓度/(mol·L⁻¹)：a(1−x)、0.04、ax。则 K＝(ax)²/[a²(1−x)²×0.04]＝x²/[0.04(1−x)²]。（3）该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K 减小，c 点温度高于 a 点温度，则 K(a)＞K(c)。（4）由题图可知，同温下反应未达到平衡状态时，相同反应时间段内，β 型沥青混凝土中 CO 转化率高，则其转化速率大。（5）催化剂有一定的活性温度，e 点时转化率突变，原因可能是温度较高，催化剂失去活性。 1 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　 学生版（课后核对·独立作答） 一、核心素养目标 1．宏观辨识与微观探析 ●　通过合成氨工业的实例，从速率与限度两个视角综合认识温度、压强、浓度、催化剂对化学反应的影响； ●　能从 N₂、H₂ 的分子结构与化学键角度理解合成氨反应放热、熵减、可逆的特征。 2．变化观念与平衡思想 ●　理解“提高反应速率”与“提高平衡转化率”对温度要求的不一致，体会实际生产中条件选择的辩证性； ●　能运用勒夏特列原理与速率理论解释合成氨适宜条件（400~500 ℃、10~30 MPa、铁触媒）选择的原因。 3．证据推理与模型认知 ●　建构“反应特征→理论分析→数据验证→实际条件”的化工条件调控模型，能迁移至硫酸工业等实例； ●　能根据温度-转化率、投料比-含量等图像证据推断适宜工艺条件及催化剂的效能。 4．科学探究与创新意识 ●　通过催化剂活性、催化剂中毒、原料循环等真实工业问题的分析，经历从理论到工程实际的探究过程； ●　能设计简单实验方案比较不同催化剂（如不同铂网）对反应速率与选择性的影响。 5．科学态度与社会责任 ●　认识合成氨对人类粮食安全与工业发展的重大意义，体会化学在“解决粮食问题”中的贡献； ●　树立绿色化学观念，关注生产过程中的环境保护、原料循环利用与综合经济效益。 二、教学重点与难点 教学重点 用化学反应速率与化学平衡原理综合分析合成氨的适宜条件；理解“理论最优”与“实际可行”的辩证关系。 教学难点 综合温度、压强、催化剂、浓度、投料比等多因素进行工业条件选择的推理；催化剂活性、设备与经济效益等实际约束的权衡。 三、知识讲解与典例探究 知识点一　理论分析合成氨反应的条件 方法梳理 1．合成氨反应的特点：合成氨反应为 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）自发性：常温（298 K）下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行；（2）可逆性：该反应是可逆反应；（3）熵变：ΔS＜0，正反应是气体体积减小的反应；（4）焓变：ΔH＜0，正反应是放热反应。 2．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 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 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．数据分析：根据课本表 2-2 在不同温度和压强下（初始时 N₂ 和 H₂ 的体积比为 1∶3）平衡混合物中氨含量的实验数据可知，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的，实验数据分析的结论与理论分析的结论一致。 【例 1】判断下列说法是否正确（正确的打“√”，错误的打“×”）。 （1）工业合成氨的反应是 ΔH＜0、ΔS＜0 的反应，在任何温度下都可自发进行。（　　） （2）在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率。（　　） （3）催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应。（　　） （4）增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率。（　　） （5）合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。（　　） 【例 2】合成氨工业的主要反应为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0，在密闭容器中进行。下列说法正确的是（　　） A．其他条件不变，及时分离出 NH₃，会降低 NH₃ 的产率 B．使用催化剂可使 N₂ 的转化率达到 100% C．其他条件不变，增大压强不仅能提高反应物的转化率，还能缩短到达平衡的时间 D．其他条件不变，温度越高，氨气的产率越高 【例 3】研究不同催化剂对 2NH₃⇌N₂＋3H₂ 反应速率的影响。恒温、恒容时，c(NH₃)（×10⁻³ mol·L⁻¹）随时间（min）的变化如下表。 t/min 0 20 40 60 80 催化剂Ⅰ 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80 催化剂Ⅱ 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40 【例 3】选项 A．使用催化剂Ⅰ，0~20 min 平均反应速率 v(N₂)＝1.00×10⁻⁵ mol·L⁻¹·min⁻¹ B．使用催化剂Ⅱ，达平衡后容器内的压强是初始时的 11/6 倍 C．相同条件下，使用催化剂Ⅰ和催化剂Ⅱ的反应热相同 D．相同条件下，使用催化剂Ⅱ可使该反应的化学平衡常数更大 知识点二　实际工业合成氨的适宜条件 方法梳理 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： ●　压强：目前我国的合成氨厂一般采用的压强为 10~30 MPa。不采用更高压强的理由是：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； ●　温度：实际生产中一般采用的温度为 400~500 ℃。不采用低温的理由是：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； ●　催化剂：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。催化剂对平衡转化率无影响，但在合成氨工业中还要使用催化剂，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，加入催化剂可改变反应历程、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； ●　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。工业上通过将原料气净化的方法防止催化剂中毒； ●　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； ●　投料比：大量实验证明，合成氨反应中当 n(N₂)∶n(H₂)＝1∶3 时，氨的平衡体积分数最大。研究表明，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，原料中 N₂ 适度过量可提高 H₂ 的转化率，且适当提高 N₂ 比例能加快合成氨的速率； ●　其他：兼顾环境保护和社会效益。 图1　工业合成氨的生产流程示意 【例 4】（2024·金华一中高二检测）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 【例 5】合成氨反应：N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)，N₂(g) 与 H₂(g) 反应生成 1 mol NH₃(g) 放出 46 kJ 的热量。该反应通常需要在高温（400~500 ℃）、高压（10~30 MPa）条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是（　　） A．合成氨反应中采用 400~500 ℃ 高温主要是因为此时催化剂的活性最大 B．合成氨反应中采用高压的目的主要是为了促进平衡向右移动 C．合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速率 D．合成氨反应中将 0.5 mol N₂(g) 和 1.5 mol H₂(g) 置于密闭容器中充分反应，其放出热量为 46 kJ 【例 6】在硫酸工业中，通过下列反应使 SO₂ 氧化成 SO₃：2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＝−196.6 kJ·mol⁻¹。（已知：催化剂是 V₂O₅，在 400~500 ℃ 时催化剂效果最好）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/℃ 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，原因是______。 （4）在实际生产中，通入过量的空气，原因是______。 （5）尾气中 SO₂ 必须回收，原因是______。 【例 7】合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＝−92.4 kJ·mol⁻¹。如图 2 为 500 ℃、60.0 MPa 条件下，平衡时 NH₃ 的体积分数与原料气投料比（n(H₂)∶n(N₂)）的关系。 （1）若投料比为 4 时，NH₃ 的体积分数可能为图中的______点。 （2）若投料比为 3 时，NH₃ 的最大体积分数为 42%，计算 H₂ 的平衡体积分数。 图2　500 ℃、60.0 MPa 条件下平衡时 NH₃ 的体积分数与投料比的关系 四、课堂练习　限时 10 分钟，检验当堂学习效果 【练习 1】在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是（　　） A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 【练习 2】N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0，向容器中通入 1 mol N₂ 和 3 mol H₂，当反应达到平衡时，下列措施能提高 N₂ 转化率的是（　　） ① 降低温度 ② 维持温度、容积不变，按照物质的量之比为 1∶3 再通入一定量的 N₂ 和 H₂ ③ 增加 NH₃ 的物质的量 ④ 维持恒压条件，通入一定量惰性气体 A．①④　　B．①②　　C．②③　　D．③④ 【练习 3】合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909 年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0。符合工业合成氨生产实际的是（　　） A．V₂O₅ 作催化剂 B．反应温度由催化剂决定 C．将 N₂ 和 H₂ 液化 D．NH₃ 由吸收塔吸收 【练习 4】（原创题）工业合成氨的原理为 N₂(g)＋3H₂(g)⇌2NH₃(g)　ΔH＜0。下列措施中，既能加快合成氨的反应速率，又能提高氨的平衡产率的是（　　） A．使用铁触媒 B．适当增大压强 C．升高温度 D．及时分离出氨气 五、课后作业　A 组·基础巩固　B 组·能力提升 A 组　基础巩固 【作业 1】工业合成氨的主要流程为：①原料气（N₂、H₂）净化；②加压；③在合成塔内发生反应；④冷却；⑤分离出液氨，未反应的 N₂、H₂ 循环使用。下列有关说法错误的是（　　） A．步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B．步骤②中“加压”既可以提高原料的平衡转化率，又可以加快反应速率 C．步骤③、④、⑤均有利于提高原料的平衡转化率 D．产品液氨除可用来生产化肥外，还可用作制冷剂 【作业 2】（2025·杭州期中）合成氨问题，关乎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的生产效率 【作业 3】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 【作业 4】（2024·嘉兴综合素养测试）硫酸工业生产中发生反应：2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＜0，下列说法不正确的是（　　） A．工业生产中常采用合适的催化剂，因为生产中使用催化剂可提高 SO₃ 的生产效率 B．工业上可加入适当过量的 O₂ 以提高 SO₂ 的转化率 C．工业上应综合考虑能耗、催化剂活性等因素来选择合适的温度 D．工业上合成 SO₃ 应采用高压条件，因为高压既可增大反应速率又可以提高反应物的转化率 【作业 5】某化工厂生产硝酸的流程如图 3（左）所示；其他条件相同时，装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图 3（右）所示。下列说法不正确的是（　　） 图3　硝酸生产流程示意（左）及铂网成分、温度与氧化率的关系（右） 【作业 5】选项 A．该流程中，①③④发生了氧化还原反应 B．②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离 C．③中最佳反应条件是铂网成分为纯铂、温度为 900 ℃ D．④中通入过量空气可以提高硝酸的产率 B 组　能力提升 【作业 6】纳米钴常用于 CO 加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H₂(g)⇌CH₄(g)＋H₂O(g)　ΔH＜0，下列说法正确的是（　　） A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应物的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO 的浓度增大 C．从平衡体系中分离出 H₂O(g) 能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高 CO 的平衡转化率 【作业 7】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 4 所示。下列说法正确的是（　　） 图4　一定时间内积碳量与反应温度的关系 【作业 7】选项 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 【作业 8】在一定的温度和压强下，将按一定比例混合的 CO₂ 和 H₂ 通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。已知：CO₂(g)＋4H₂(g)⇌CH₄(g)＋2H₂O(g)　ΔH＝−165 kJ·mol⁻¹；CO₂(g)＋H₂(g)⇌CO(g)＋H₂O(g)　ΔH＝＋41 kJ·mol⁻¹。催化剂的选择是 CO₂ 甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间，测得 CO₂ 转化率和生成 CH₄ 选择性（CH₄ 选择性＝n(生成 CH₄)/n(转化 CO₂)×100%）随温度的变化如图 5 所示。下列有关说法正确的是（　　） 图5　CO₂ 转化率与 CH₄ 选择性随温度的变化（Ni 与 Ni-CeO₂ 催化剂） 【作业 8】选项 A．在 260~320 ℃，以 Ni-CeO₂ 为催化剂，升高温度 CH₄ 的产量基本不变 B．延长 W 点的反应时间，一定能提高 CO₂ 的转化率 C．反应 CO(g)＋3H₂(g)⇌CH₄(g)＋H₂O(g) 在任何温度下均不能自发进行 D．选择合适的催化剂有利于提高 CH₄ 的选择性 【作业 9】人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch 合成 NH₃ 法是以铁为主要催化剂、在 400~500 ℃ 和 10~30 MPa 的条件下，由 N₂ 和 H₂ 直接合成 NH₃。 （1）上述反应生成 17 g NH₃ 时放出 46 kJ 热量，写出该反应的热化学方程式：______。 （2）我国科学家研制出一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到 350 ℃、1 MPa，该催化剂对工业生产的意义是______。 （3）在 2 L 恒容密闭容器中，按投料比（n(H₂)∶n(N₂)）分别为 1∶1、2∶1、3∶1 进行反应，相同时间内测得 N₂ 的转化率与温度、投料比的关系如图 6 所示（不考虑催化剂失活）。 ① 曲线Ⅰ表示投料比＝______。某温度下，曲线Ⅰ对应反应达到平衡时 N₂ 的转化率为 x，则此时混合气体中 NH₃ 的体积分数为______（用含 x 的代数式表示）。 ② 下列有关图像的分析错误的是______（填字母）。 A．投料比越大，H₂ 的平衡转化率越大 B．T＜T₀，投料比一定时，升高温度，反应速率增大 C．T＞T₀，投料比一定时，升高温度，平衡向左移动 D．T＞T₀，投料比一定时，升高温度，反应速率减小 图6　相同时间内 N₂ 的转化率与温度、投料比的关系 【作业 10】工业上，常采用氧化还原法处理尾气中的 CO、NO。已知沥青混凝土可作为反应 2CO(g)＋O₂(g)⇌2CO₂(g) 的催化剂。如图 7 表示在相同的恒容密闭容器中，相同起始浓度、相同反应时间段内，使用相同质量的不同沥青混凝土（α、β 型）催化时，CO 的转化率与温度的关系。 （1）在 a、b、c、d 四点中，一定未达到平衡状态的是______。 （2）已知 c 点时容器中 O₂ 浓度为 0.04 mol·L⁻¹，则 50 ℃ 时，在 α 型沥青混凝土中 CO 转化反应的平衡常数 K＝______（用含 x 的代数式表示）。 （3）CO 转化反应的平衡常数：K(a)______（填“＞”“＜”或“＝”）K(c)。 （4）在均未达到平衡状态时，相同反应时间段内，同温下______（填“α”或“β”）型沥青混凝土中 CO 转化速率大。 （5）e 点转化率出现突变的原因可能是______。 图7　使用 α、β 型沥青混凝土催化时 CO 的转化率与温度的关系 1 学科网（北京）股份有限公司 $