化学反应的调控（学生版）人教2019选择性必修1 高二化学 精讲专练 学案

第12第12讲化学反应的调控知识导航知识导航知识精讲知识精讲一、合成氨反应的原理分析工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根据合成氨反应的特点，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？请填入下表。对合成氨反应的影响影响因素浓度温度压强催化剂增大合成氨的反应速率提高平衡混合物中氨的含量二、合成氨反应的数据分析下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。思考与交流：合成氨的反应，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？思考与交流：综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢?三、合成氨反应的条件调控工业合成氨的适宜条件压强10～30MPa温度400～500℃催化剂铁触媒浓度N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去思考与交流（（1）工业上合成氨为什么不采用更高压强？（2）工业上合成氨为什么不采用更高温度？四、调控化学反应需考虑的问题1．反应限度：要考虑尽量增大反应物的__________，充分利用原料。2．反应速率：要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。3．生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。对点训练对点训练题型一：合成氨的条件调控【例1】在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是（）A．不断将氨分离出来B．使用催化剂C．采用500℃左右的高温而不是700℃的高温D．采用2×107～5×107Pa的压强【变1-2】（双选）（2020·河北石家庄市·正定中学高二开学考试）2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1。关于合成氨工艺的下列理解正确的是A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零B．控制温度(773K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率C．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行【例2】合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。(1)X的化学式为________。(2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。A．温度、压强对化学平衡的影响B．铁触媒在该温度时活性大C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制(3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是__________，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是________(填字母编号)。题型二：化学反应的条件调控【例4】下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是（）A．牛奶放在冰箱中冷藏B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离【例6】一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ.Ⅳ.副反应：Ⅴ.Ⅵ.回答下列问题：（1）已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数、随温度的变化如图1、图2所示。①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，_______；反应Ⅰ的_______(填“>”或“<”)0。②温度小于800℃时，，原因是_______。③为提高反应Ⅱ中的转化率，可采取的措施是_______(写一条)。④T℃时，向密闭容器中充入1和3，只发生反应Ⅱ，此时该反应的平衡常数，的平衡转化率为_______。（2）从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是_______。（3）起始时在气化炉中加入1C、2及1，在2.5下，气体的组成与温度的关系如图3所示。①200~725℃时，的量不断减少的原因是_______。②725~900℃时，的物质的量分数快速减小，其原因是_______。【例7】科学家在利用碳水化合物消除污染气体和生成新能源方面取得重大成果。(1)①甲醇是一种绿色可再生能源，在高效健化剂的作用下，CH4可与NO2反应，消除NO2的污染，改善雾霾天气，发生的反应为：CH4(g)+2NO2(g)⇌CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)△H<0。该反应自发进行的条件为_______(填高温、低温或任何条件)。在恒温恒容条件下，下列不能说明该反应达到平衡状态的是_______(填序号)。a.v逆(NO2)=v正(H2O)b.混合气体的密度不再变化c.混合气体的平均摩尔质量不再变化d.单位时间内有4molC-H健断裂的同时有4molO-H键形成e.混合气体的压强不变②如表是相同时间内处理NO2的量与温度的关系，NO2的处理量先增大后减小的原因是_______。温度/℃100200300400500NO2的处理量/%39.370.485.675.750.5(2)一定条件下，向2L恒容密闭容器中通入4molCH4、8molNO2发生上述反应。测得反应过程中NO2的体积分数在不同条件X下随着时间的变化如图1中曲线I、曲线II所示：①若X表示温度，则X1、X2的相对大小是_______，a、b、c三点对应的混合气体的平均相对分子质量的大小为_______(用a、b、c表示)②X1条件下，在t1~t3min内v(N2)_______(填“>”“<”或“=”)在t2~t3min内v(N2)，曲线I对应的反应的平衡常数K=_______，(用分数表示)(3)欲研究在某催化剂作用下该反应的反应速率与温度的关系，在其他条件相同时，改变反应温度，测得经过相同时间时该反应的正反应速率如图2所示，A、B两点对应温度下正反应速率变化的原因可能是_______。A、B两点对应温度下该反应的活化能Ea(A)_______Ea(B)(填“>”或“<”)。【例8】二甲醚(DME)正逐渐替代化石燃料。有多种方法制备二甲醚，回答下列问题。(1)合成气制二甲醚：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH＝-204.7kJ·mol-1①已知：H2O(g)＝H2O(l)ΔH＝-44.0kJ·mol-1，H2(g)的燃烧热ΔH＝-285.8kJ·mol-1，CO(g)的燃烧热ΔH＝-283.0kJ·mol-1。则二甲醚的燃烧热ΔH＝________kJ·mol-1。②300℃，1L恒容密闭容器中充入4molH2和2molCO，测得容器内压强变化如下：反应时间/min0510152025压强/MPa12.410.28.47.06.26.2反应进行到20min时，H2的转化率为________，CO的平均反应速率v(CO)＝________mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(mol·L)-4。(2)CO2催化加氢制二甲醚，可以实现CO2的再利用。该过程主要发生如下反应：Ⅰ．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41.7kJ·mol-1Ⅱ．2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)ΔH＝-122.5kJ·mol-1恒压条件下，CO2、H2起始量相等时，CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图。已知：CH3OCH3的选择性①300℃时，通入CO2、H2各1mol，平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30％，平衡时生成CH3OCH3的物质的量＝________mol。温度高于300℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是________。②220℃时，CO2和H2反应一段时间后，测得A点CH3OCH3的选择性为48％，不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3的选择性的措施有________。提分特训提分特训【题1】下列生产、生活等实际应用，不能用勒夏特列原理解释的是A．合成氨工业中，温度越高越有利于氨的合成B．合成氨工业通常采用20MPa～50MPa压强，以提高原料的利用率C．合成三氧化硫过程中使用过量的氧气，以提高二氧化硫的转化率D．实验室中用排饱和食盐水的方法收集氯气【题2】下列有关合成氨工业的说法中正确的是A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D．合成氨采用的压强是1×107~3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高【题3】热催化合成氨面临的两难问题是：釆用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti-H-Fe双温区催化剂(Ti-H区域和Fe区域的温度差可超过100℃)。Ti-H-Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是A．①为氮氮三键的断裂过程B．①②③在低温区发生C．④为N原子由Fe区域向Ti-H区域的传递过程D．使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应【题4】工业合成氨是人工固氮的一种重要方式，氨的合成实现工业化生产迄今已有100多年历史，合成氨技术是人类科学技术领域的重要突破。请回答：(1)下列有关获取原料气的说法正确的是___________。A．可通过液化空气分离法得到氮气B．可用煤、天然气与水蒸气反应制备水煤气，进而获取氢气C．原料气需经净化处理以防催化剂中毒D．电解水法获取氢气是一种较为廉价且高效的方法(2)原料气中的杂质气体H2S可用过量氨水净化吸收，写出化学反应方程式___________。(3)工业生产中氮气与氢气按物质的量之比为1：2.8进行投料，合成塔压强p恒定。若起始时氮气通入量为xmol，一段时间后测得氮气的平衡转化率为80%，用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数的KP=___________(用p表示，气体分压=总压ⅹ物质的量分数)(4)据统计，每年全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨，为循环使用CO2减少浪费，常见的方法是利用合成氨的产品NH3和副产品CO2合成尿素：①2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l)Ea1②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)Ea2副反应：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3已知活化能大小：Ea1＜＜Ea2某科研小组模拟工业合成尿素生产，发现反应温度在140℃时生成尿素的反应速率反而比80℃小，可能原因是___________。(5)工业合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，请分析可能原因___________。A．氨易获得，成本较低B．氨过剩可提高二氧化碳的转化率，加快合成速率C．氨气可与体系内水结合，减少氨基甲酸铵水解，抑制副反应发生D．氨结合水，促进反应②正向移动【题5】烟气中SO2和NO的转化和综合利用既有利于节约资源，又有利于保护环境。（1）采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝，在一定浓度的NaClO2溶液中通入含有SO2和NO的烟气，反应温度为323K。已知：4H++ClO=4ClO2+Cl-+2H2O；ClO2氧化性大于NaClO2。①写出NaClO2溶液将NO氧化为NO的离子方程式：___________。②已知脱硫反应速率大于脱硝反应速率，原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同，还可能是___________。③当调节溶液初始pH由7升至12时，通入烟气后，NO转化率由100%降为51%，可能的原因是___________。（2）有氧条件下，NO在催化剂作用下可被NH3还原为N2。在钒基催化剂(V2O5)作用下的脱硝反应机理如图1所示。①根据图1机理，NO、NH3在有氧条件下的总化学方程式是___________。②按上述图1中NH3、NO和O2的比例进行催化脱硝反应。相同反应时间，NH3和NO的转化率与温度的关系如图2所示，200℃后，NO转化率急剧下降的原因是___________。（3）羟基自由基(HO·)也可以用于脱硫脱硝。图3表示光催化氧化技术可生成HO·：光照时，价带失去电子产生有强氧化性的空穴，价带上生成HO·；描述产生HO·的另一种过程：___________。提分作业提分作业【练1】不符合工业合成氨生产实际的是A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行【练2】在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是()A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同【练3】已知：=-60kJ·mol-1合成总反应在起始物时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为，在t=250℃下的、在下的如图所示。（1）加压有利于提高甲醇的产率，但实际生产中压强控制为30MPa而不是更大的原因___________；（2）图中对应恒温条件下反应过程的曲线是___________，判断的理由是___________；（3）当=0.03时，的平衡转化率=___________(保留一位小数)，由恒压条件下的曲线判断此时的反应温度可能是___________℃。【练4】在氮及其化合物的化工生产中，对有关反应的反应原理进行研究有着重要意义。(1)t℃时，关于N2、NH3的两个反应的信息如下表所示：化学反应正反应活化能逆反应活化能t℃时平衡常数N2(g)+O2(g)=2NO(g)∆H＞0akJ∙mol-1bJ∙mol-1K14NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)∆H＜0eJ∙mol-1dJ∙mol-1K2请写出t℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式_______(反应热用a、b、e、d代数式表示)。t℃该反应的平衡常数为_______(用K1和K2表示)。请解释该反应能否自发进行_______。(2)一定温度下，将2molN2和6molH2置于1L的恒容密闭容器中发生如下反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H＜0。测得不同条件、不同时间段内合成氨反应中N2的转化率，数据如下：1小时2小时3小时4小时T130%50%80%80%T235%60%ab①上表中T1_______T2(“＞”“＜”或“=”表示)，其中a、b、80%三者的大小关系是_______(用含“＞”“＜”或“=”的关系式表示)。②研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为v=，k为速率常数