鲁科版2023-2024年高中化学大一轮复习第7章 第43讲化学反应速率工业合成氨

第43讲化学反应速率工业合成氨

［复习目标］1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法。2.了解反应活化能的概念。3.理解

外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响，能用相关理论解释其一般规律。

4.了解化学反应速率的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。

考点一化学反应速率的概念及计算

■归纳整合

1.化学反应速率

表示通常用单位时间内某物质浓度(或质量、

方法物质的量等)的改变量(取绝对值)来表示

单位为mol∙L^*∙s^'或mol∙L^'∙min^l

Ar

(1)化学反应速率一般指平均速率而不

是某一时刻的瞬时速率，且无论用反应

注意物还是用反应产物表示均取正值

事项

(2)不能用固体或纯液体表示化学反应速

率,因为固体或纯液体的浓度视为常数

与化学方程式中的化学计量数的关系

aA(g)+∕jB(g)=cC(g)+JD(g)中

z∕(A):ι∕(B)次C):次D)=α：b:cd

2.化学反应中各物质浓度的计算模式——“三段式”

(1)写出有关反应的化学方程式。

(2)找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。

(3)根据已知条件列方程式计算。

例如：反应加A+nB=二PC

tos∕(mol∙L^1)abO

nxpx

转化l

/(mol∙L)Xmin

11nxpx

t∖s∕(mol∙L_)a—Xb——mm

则O(A)=Xmol∙L-l∙s^l,

tl-tθ

γiχ__

υ(B)=-;-------moi∙Ll∙s-1

矶C)二,Px~~rmol∙L'∙s*lo2

`m(tι-t0)

3.比较化学反应速率大小的常用方法

(1)先换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值的大小。

(2)比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应«A(g)+⅛B(g)=cC(g)+JD(g),

比较呼1与怨1,若91＞皇，则不同情况下，用A表示的反应速率比用B表示的大。

【应用举例】

已知反应4CO+2NCh㈣≡Nz+4Cθ2在不同条件下的化学反应速率如下：

①O(CO)=1.5mol∙L-1∙min^1

②O(Ne)2)=0.7mol∙L,∙min1

③贝N2)=O.4mol∙L^*∙min^1

④O(Co2)=l∙lmol∙L1∙min1

(S)υ(NO2)=O.Olmol∙L,∙s1

请比较上述5种情况反应的快慢：(由大到小的顺序)。

卫易错辨析

1.对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象越明显()

2.由O=W计算平均反应速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值()

3.化学反应速率为0.8mol∙L1∙s~,是指1s时某物质的浓度为0.8mol∙L1()

4.同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，数值越大，表示化学反应速率越

快()

■专项突破

一、化学反应速率的计算

1.一定温度下反应：4A(s)+3B(g)2C(g)+D(g),经2min,B的浓度减少0.6mo∣1r,

对此反应速率的表示正确的是()

A.用A表示的反应速率是0.4mol∙L-Lmi∏r

B.分别用B、C、D表示反应速率，其比值是1：2：3

C.在2min末的反应速率，用B表示为0.3mol∙L-∣∙mirΓ∣

D.在这2min内用B和C表示的瞬时速率的值都是逐渐减小的

2.一定条件下，在体积为IOL的固定容器中发生反应：N2(g)+3H2(g)2N%(g),反应过

程如图。下列说法不正确的是()

n/mol

A.介min时，正、逆反应速率相等

B.X曲线表示NE的物质的量随时间的变化关系

C.0~8min,H2的平均反应速率矶H2尸0.01125mol∙L-Lmin”

D.10~12min,N2的平均反应速率。例2)=0.0025mol∙LIminr

l

3.温度为Tl时，2g某合金4min内吸收氢气240mL,吸氢速率。=mL∙g'∙min0

4.工业制硫酸的过程中，Sθ2(g)转化为SCh(g)是关键的一步，550C时，在IL的恒温容器

中，反应过程中的部分数据见下表：

反应时间∕minSO2(g)∕molO2(g)∕molSO3(g)∕mol

0420

51.5

102

151

若在起始时总压为PokPa,反应速率若用单位时间内分压的变化表示，气态物质分压=总压

X气态物质的物质的量分数，则Iomin内Sθ2(g)的反应速率。(SO2)=kPa∙min、

二、反应速率常数的应用

5.工业上利用CHM混有CO和比)与水蒸气在一定条件下制取H2,原理为CH4(g)+

3

H2O(g)CO(g)+3H2(g),该反应的逆反应速率表达式为。»=Jte(CO)C(H2),k为速率常数,

在某温度下测得实验数据如表所示：

Co浓度/(mol∙L^^i)氏浓度/(mol∙I√i)逆反应速率/(mol∙L_1∙mirΓ1)

0.1Cl8X)

C2Cl16.0

Cl0.156.75

由上述数据可得该温度下，C2=，该反应的逆反应速率常数Z=L3∙moΓ3∙min'»

■知识拓展

1.反应速率常数的含义

反应速率常数(A)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1mol∙I√r时的反应速率。在相同浓度

的条件下，可用反应速率常数大小来比较化学反应的反应速率。

化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比，而反应速率常数是其比例常数，在恒温

条件下，反应速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此，可以应用速率方程求出该温度

下任意浓度时的反应速率。

2.速率方程

一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其化学计量数为指数的塞的乘积成正比。

对于反应：αA+bB=gG+/?H

则0=kc∙(A)∙c∙fc(B)(其中k为反应速率常数)。

如：①SChCbSO2+Cl2

O=Arc(SChCb)

2

(2)2NO22NO+O2V=⅛2∙C(NO2)

(3)2H2+2NON2+2H2O

υ=fe∙c2(H2)∙c2(NO)

3.反应速率常数的影响因素

温度对化学反应速率的影响是显著的，反应速率常数是温度的函数。同一反应，温度不同，

反应速率常数将有不同的值，但浓度不影响反应速率常数。

考点二影响化学反应速率的因素

■归纳整合B号砒

1.内因

反应物是主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为

MgAlo

2.外因

增大反应物浓度.化学反应速率；

反之，固体、纯液体物质的

浓度卜—o

N质量或物质的量发生变化，反应速

率

一

外T温度卜升高温度，化学反应速率；反

界之，_____

条

件对于有参加的反应，增大压强.

的［压强卜

化学反应速率J反之，一

影

响使用催化剂，化学反应速率一

一T催化剂人

对于可逆反应，正、逆反应速率的

改变程度

增大固体、光照、超声波

q其他卜

等，能够增大反应速率

3.理论解释——有效碰撞理论

⑴活化分子、活化能、有效碰撞

①活化分子：能够发生有效碰撞的分子（必须具有足够的能量）。

②活化能

图中：El表示,使用催化剂时的活化能为,反应热为（注：E2

表示活化分子变成生成物分子放出的能量）。

③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。

（2）活化分子、有效碰撞与反应速率的关系

条件一活化分子一有效碰撞一反应速率变化

单位体积内

有效碰化学反

条件改变活化分子

分子总数活化分子数撞次数应速率

百分数

增大反应物浓度

增大压强

升高温度

加催化剂

IE易错辨析

I.催化剂参与化学反应，改变了活化能，但反应前后物理和化学性质保持不变（）

2.升温时吸热反应速率增大，放热反应速率减小（）

3.一定量的锌与过量的稀硫酸反应制取氢气，滴入少量硫酸铜与醋酸钠均能够提高反应速率

（）

4.增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分数，所以反应速率增大（）

5.10OmL2mol∙L-盐酸与锌片反应，加入适量的氯化钠溶液，反应速率不变（）

■专项突破关键能力

一、影响化学反应速率的因素

1.下列措施可以增大化学反应速率的是（填序号）。

①Al在氧气中燃烧生成AI2O3,将Al片改成Al粉

②Fe与稀硫酸反应制取H2时，改用98%浓硫酸

③EhSCU与BaCb溶液反应时，增大压强

Φ2SO2+O2催，剂2SO3ΔW<0,升高温度

⑤Na与水反应时，增大水的用量

(6)2H2O2=2H2O+O2t反应中，加入少量MnO2

⑦出与Cb混合后光照

2.一定温度下，反应N2(g)+O2(g)2N0(g)在密闭容器中进行，回答下列措施对化学反应

速率的影响(填“增大”“减小”或“不变”)。

⑴缩小体积使压强增大：,原因是。

(2)恒容充入N2：o

(3)恒容充入He：,原因是.

(4)恒压充入He：0

•归纳总结

惰性气体对反应速率的影响

在恒温恒容条件下通入惰性气体，总压增大，反应物浓度不变，反应速率不变

恒温恒压条件下通入惰性气体，总体积增大，反应物浓度减小，反应速率减小

二、用控制变量法探究影响化学反应速率的因素

3.为了研究一定浓度Fe?+的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率，实验结果如图所示,

判断下列说法正确的是()

-

%

/

第

31(8)(

麻

s⅛

*6(J

Zə4(

工2(J⅛

()2468

时间/h

A.pH越小，氧化率越小

B.温度越高，氧化率越小

C.Fe?,的氧化率仅与溶液的PH和温度有关

D.实验说明降低pH、升高温度有利于提高Fe?+的氧化率

4.已知：2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4=2MnSO4+K2SO4+lOCO2t+8氏0。某化学小组

欲探究H2C2O4溶液和酸性KMno4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响，进行

了如下实验(忽略溶液体积变化)：

0.01mol∙L^'酸性0.1mol∙L-'H2C2O4水的体反应温反应时

编号

KMnO4溶液体积∕mL溶液体积∕mL积/mL度/℃间∕min

丁220202.1

πVi21205.5

IIIV220500.5

下列说法不正确的是()

A.Vι=l,V2=I

B.设计实验I、In的目的是探究温度对反应速率的影响

C.实验计时是从溶液混合开始，溶液呈紫红色时结束

1

D.实验In中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率V(KMnO4)=O.Olmol∙L^'∙min

5.可逆反应2SO2(g)+O2(g)2SCh(g)是工业上制取H2SO4的重要反应。

(1)在恒压条件下，该反应分组实验的有关条件如下表：

反应条件温度容器容积起始M(SO2)起始M(O2)其他条件

I组500℃1L1mol2moɪ无

∏组500℃1L1mol2mol

已知I、II两组实验过程中，SCh气体的体积分数P(SO3)随时间，的变化曲线如图所示。

(Dn组与［相比不同的条件是»

②将I组实验中温度变为800°C,则P(SO3)达到“％所需时间八(填''小于”"大

于”或“等于”)。

(2)向四个体积相同的密闭容器中分别充入一定量的SCh和。2,开始反应时，按反应速率由大

到小排列的是(填字母)0

甲：在500°C时，1OmOISe)2和IOmOlo2反应

乙:在500℃时，用V2O5作催化剂,IOmoɪSO2和10molO2反应

丙：在450℃时，8molSθ2和5molCh反应

T：在500°C时，8molSCh和5molCh反应

A.甲、乙、丙、丁B.乙、甲、丙、丁

C.乙、甲、丁、丙D.丁、丙、乙、甲

-归纳总结＞

关于“控制变量法”题目的解题策略

I彳口度、温度、压强、催化剂：

6；瓦瓦蓼“了而:扁蒲藁木齐紊亩一£务福

I确晨变量U学反应速率的影响时,均需控制其他因］

,口素不变，再进行实验，从而理清影响实:

~-IT----

1验探究结果的因素，确定出变量和定量;

Hf≡⅛^⅛∖^T⅛⅞7⅛^i,t-⅛^s*7^^⅛^⅛:

（点名用_）J因素不变，看这种因素和探究的问题存;

巴等二∩在怎样的关系；这样确定一种以后，再:

;确定另一种，从而得出相应的实验结论:

V:⅛⅛^⅛^⅛^⅛⅛⅞⅞⅛^（^⅛^⅛⅛^⅛a^j"⅞!

数据有效H有效,且变量统一，否则无法做出正确:

----------1判断

考点三工业合成氨

・归纳整合

1.化工生产适宜条件选择的一般原则

条件原则

从化学反应速率分析既不能过快，乂不能太慢

既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意

从化学平衡移动分析

对二者影响的矛盾性

增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降

从原料的利用率分析

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受温度的限制

2控制反应条件的基本措施

（1）控制化学反应速率的措施

通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强（或浓度）、固体的表面积以及使用催化

剂等途径调控反应速率。

（2）提高转化率的措施

通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强（或浓度）等改变可逆反应的限度，

从而提高转化率。

3.工业合成氨反应的适宜条件

(1)理论分析

增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量对反应条件的要求不尽相同:

影响因素

对合成氨反应的影响

浓度温度压强催化剂

增大合成氨的反应速率使用

提高平衡混合物中氨的含量

(2)实际工业合成氨反应的适宜条件

'低压(IXIO7Pa)

①压强”中压(2XIO,〜3XIO,Pa)

.高压(8.5XIO,〜IXlO8Pa)

②温度：700K左右。

③催化剂：以铁为主体的多成分催化剂。

④浓度:N2与H2的投料比(物质的量之比)为1:2.8。

・专项突破F戛翳明

一、工业合成氨条件的分析

1.下图是工业合成氨的工艺，根据流程解答下列问题:

液态NH-NH3+N2+H2

(1)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)A"=-92.4kJ∙moL,结合反应的化学方程式分析哪些措施可以

提高合成氨的反应速率？哪些措施可以提高氮气或氢气的转化率？

(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂。

①铁触媒加快化学反应速率的原因是什么？

②铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗？简述理由。

③铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？

(3)合成氨时选择500℃而不采用常温主要考虑什么因素？

(4)合成氨时一般采用的压强为10~30MPa的原因是什么？

(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施?

二、其他工业生产条件的分析

2.工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4Hιo(g)C4H8(g)+H2(g)(正反应吸热)，将丁烷和氢

气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化率、

产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是()

%

/40

⅛

W35

⅛W30

≡爵25

420

H-15

0123456

"(氢气)

"(丁烷)

甲乙

3城下承承翁

温度/安

丙

A.由图甲可知，X小于0.1

B.由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着也鞫增大,

逆反应速率减小

C.由图丙可知，丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向

移动

D.由图丙可知，丁烯产率在590C之后快速降低的主要原因是丁烯高温分解生成副产物

3.乙烯是石油化工最基本的原料之一。

⑴乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯：C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)ΔW,>0o提高乙烷平衡

转化率的措施有、,

(2)在乙烷中引入02可以降低反应温度，减少积碳。涉及如下反应：

a.2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g)Δ∕∕2<0

b.2C2H6(g)+5O2(g)4CO(g)+6H2O(g)Δft<0

c.C2H4(g)+2O2(g)2C0(g)+2H2O(g)Δ⅛<0

氧气的引入可能导致过度氧化。为减少过度氧化，需要寻找催化剂降低反应________(填

"a""b"或''c'')的活化能，判断的依据是

(3)常压下，在某催化剂作用下按照〃©H6)：〃(。2)=1：1投料制备乙烯，体系中C2H4和Co

在含碳产物中的物质的量百分数及C2H6转化率随温度的变化如图所示。

I(H)

%

或8(

W6(

m4(z

O

565575585595605

温度代

①乙烯的物质的量百分数随温度升高而降低的原因是

②在570~600°C温度范围内，下列说法正确的是(填字母)。

A.C2H4产率随温度升高而增大

B.比0的含量随温度升高而增大

C.C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而增大

D.此催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率

真题演练明确考向

1.(2022•浙江6月选考，20)恒温恒容的密闭容器中，在某催化剂表面上发生氨的分解反应:

2NH3(g)催化剂N2(g)+3H2(g),测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化,

如下表所示，下列说法不正确的是()

∖⅛∣0]∕min

3l

编号-^^^C(NH3)∕(10^mol∙L^)∖020406080

表面积/cI艰'—

~w~a2.402.001.601.200.80

②a1.200.800.40x

2a2.401.600.800.400.40

A.实验①，0~20min,O(N2)=1.0OxIO5mol∙L-1∙min1

B.实验②，60min时处于平衡状态，x≠0.40

C.相同条件下，增加氨气的浓度，反应速率增大

D.相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大

2.(2021∙辽宁，12)某温度下，降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合，反应物浓度与催化剂浓度

及时间关系如图。已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，下列说法错误的是()

①Caf化∣w=().035mol∙L^'

3.01

.②Cmt(W=().()7()moɪ∙L-

化m=0.035mol∙L^l

2.0

1.0

O

O501()01502(X)25()300

/∕min

A.其他条件相同时，催化剂浓度越大，反应速率越大

B.其他条件相同时，降冰片烯浓度越大，反应速率越大

C.条件①，反应速率为0.012mol∙L'∙minɪ

D.条件②，降冰片烯起始浓度为3∙0molL-∣时，半衰期为62.5min

3.(2022•广东,15)在相同条件下研究催化剂I、II对反应Xf2Y的影响，各物质浓度C随

反应时间f的部分变化曲线如图，贝1()

(

L

∙

lo

)u

J/

A.无催化剂时，反应不能进行

B.与催化剂I相比，∏使反应活化能更低

C.a曲线表示使用催化剂∏时X的浓度随t的变化

D.使用催化剂I时，0~2min内，υ(X)=1.0mol∙L1∙min1

4.[2022∙辽宁，18(1)(2)(4)(5)]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，其反应为：N2(g)+