2.4 化学反应的调控（晨读·晚练）-2026-2027学年高二化学知识通关晨读·晚练·周末破（人教版选择性必修1）

2.4  化学反应的调控

 

一、概念卡

化学反应的调控：通过改变温度、压强、浓度、催化剂等外界条件，使化学反应按人们期望的方向和速率进行，以取得较高的产量和较好的经济效益。

适宜条件：在满足生产要求的前提下，综合速率、平衡转化率、催化剂活性、设备耐压、能耗、原料利用率、环境保护等因素后确定的条件，不是某一个指标的唯一最优值。

速率与限度：速率描述反应进行的快慢，限度描述反应进行的程度。二者由不同因素决定，不能互相替代：速率快不等于转化率高，转化率高也不等于单位时间产量大。

催化剂中毒：原料气中的某些杂质（如含硫化合物、CO 等）与催化剂活性中心结合，使催化剂活性降低或永久失活的现象。防止催化剂中毒是原料气净化的主要目的之一。

循环操作：把未反应的原料气分离出来后送回反应器再次反应的操作。循环不改变单次通过的平衡转化率，但能显著提高原料的总利用率。

绿色化学：从源头上减少或消除污染，提高原子利用率，选择无毒无害原料和环境友好催化剂，降低能耗，实现废物的资源化。

原子利用率：目标产物的质量占反应物总质量的百分比，是衡量化学反应“原子经济性”的指标。理想情况下，加成反应、化合反应的原子利用率为 100%。

平衡转化率：某反应物转化为产物的物质的量占该反应物起始物质的量的百分比，表达式为 α＝－。

二、合成氨反应的特征

工业合成氨的化学方程式为：

　ΔH＝-92.2 kJ/mol

反应特征一：正反应放热，ΔH＜0，升高温度使平衡向逆反应方向移动，平衡转化率降低。

反应特征二：正反应气体分子数减少，反应前 4 mol 气体变为反应后 2 mol 气体，ΔS＜0，增大压强使平衡向正反应方向移动，平衡转化率提高。

反应特征三：反应可逆，存在平衡限度，不可能使和全部转化为。

反应特征四：反应活化能高，常温下速率极慢，必须使用催化剂并在较高温度下进行。

反应特征五：正反应 ΔS＜0，从 ΔG 判据看属于“低温自发”型，热力学上的最高温度约为 465 K（约 192 ℃），但该温度下速率和催化剂活性都不理想。

核心矛盾：热力学要求“低温、高压”，动力学要求“高温、高压、催化剂”。温度成为合成氨条件选择中最核心的矛盾点，压强则是热力学与动力学“同向”的因素。

三、合成氨适宜条件的选择

图1　合成氨平衡转化率随温度、压强的变化

表1　合成氨反应条件的四维分析

条件	对速率的影响	对平衡的影响	工业选择与理由
升高温度	正、逆反应速率都加快	平衡向吸热的逆反应方向移动，的平衡转化率降低	控制在 400～500 ℃：保证足够速率和铁触媒活性，虽牺牲部分平衡转化率，但单位时间产量更高
增大压强	正、逆反应速率都加快，气体浓度增大	平衡向气体分子数减少的正反应方向移动，转化率提高	控制在 10～30 MPa：兼顾转化率、速率与设备耐压、能耗，压强过高

			会使设备投资和压缩能耗急剧增加
使用催化剂	降低活化能，显著加快反应速率	不改变平衡状态，不改变 K 和平衡转化率	使用铁触媒（以铁为主，含、等助剂）：使反应在 400～500 ℃ 下有足够速率
增大、浓度	反应物浓度增大，正反应速率加快	平衡正向移动，提高另一种反应物的转化率	按∶∶3 投料，并及时补充消耗的原料气
分离液氨	生成物浓度降低，正反应速率瞬间减小，随后重新建立平衡	平衡正向移动，提高、的转化率	将混合气体冷却，使液化分离，未反应气体循环使用
原料气净化	不影响平衡	无直接影响，但可防止催化剂中毒	除去原料气中的 CO、、等杂质，保护铁触媒
循环未反应气体	维持反应物浓度	不改变单次平衡转化率	提高原料总利用率，降低生产成本

 

合成氨的工艺流程（文字描述）：原料气制备（来自空气，来自天然气或水煤气）→ 原料气净化（除去含硫化合物、CO、等）→ 压缩至 10～30 MPa → 进入合成塔，在铁触媒和 400～500 ℃ 下反应 → 冷却分离液氨 → 未反应的、循环使用。

四、速率与限度的辩证统一

速率与限度是化学反应的两个不同侧面。调控反应时，必须分别分析某一条件对“速率”和“平衡”的影响，再结合生产目标综合取舍。

温度：升高温度，正、逆反应速率都增大，达到平衡的时间缩短；但对放热反应，平衡向逆反应方向移动，平衡转化率降低。温度的选择要在“快”与“多”之间折中。

压强：增大压强，气体浓度增大，正、逆反应速率都加快；对有气体分子数差的可逆反应，平衡向气体分子数减少的方向移动。压强同时影响速率和限度，但受设备耐压、压缩能耗限制。

催化剂：只改变速率，不改变平衡。催化剂不能提高平衡转化率，但可以降低反应所需的温度，使反应在较低温度下达到可接受的速率，从而间接提高平衡转化率。

浓度：增大反应物浓度，正反应速率加快，平衡正向移动，但自身转化率可能降低，另一种反应物的转化率提高。工业上常通过过量投料提高价廉原料的利用率。