新教材适用2024-2025学年高中化学第2章化学反应速率与化学平衡第4节化学反应的调控学案新人教版选择性必修1

第四节化学反应的调控学习目标1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，驾驭合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的缘由。2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。核心素养1．通过运用变量限制反应方向，培育变更观念和平衡思想。2．运用化学学问解决生产、生活中的简洁化学问题，培育科学看法与社会责任。合成氨的意义合成氨和尿素，可以说是化学工业最宏大的独创，对人类的贡献无论如何夸大都不为过。民以食为天，人类从诞生到1900年，几百万年时间，人口只有16亿。而1908年合成氨工业化，至现在100多年时间，人口增加到超过76亿，无疑合成氨是起了巨大的作用的。合成氨，诞生了化学肥料，使土地的粮食产量翻了几番，使地球才能养活这么多人口，而且不挨饿。这其中的意义是无法用语言来表达的。同时氨还是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。除了作为肥料，也是生产硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等。合成氨工业诞生以后，用氨作炸药的原料，各种的炸药都是以氨为原料合成的，从而发生了人类诞生以来两次最大的斗争，一战和二战，成为杀人的利器。可以说，合成氨是带着恶魔属性的天使。氮气和氢气合成氨气的反应是可逆反应且转化率很低，选择怎样的条件更有利于氨气的合成，让我们走进教材学习化学反应的调控。新知预习一、合成氨条件的选择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)ΔH＝－92.4kJ·mol－1结合反应方程式，可知_上升温度、增大压强、增大反应物的浓度、运用催化剂等__，都可以使合成氨速率增大；_降低温度、增大压强、增大反应物浓度或减小生成物浓度等__有利于提高平衡混合物中氨的含量。合成氨温度、压强与氨的含量关系如下表：温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.41．压强：理论和试验数据的分析均表明，合成氨时压强_增大__可以同时提高反应速率和转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资并可能降低综合经济效益。一般采纳的压强为_10～30_MPa__。2．温度：温度_上升__有利于提高反应速率，温度_降低__有利于提高反应转化率。因此，须要选择一个相宜的温度，一般采纳的温度为_400～500_℃__。3．催化剂：加入催化剂可以_提高__反应速率，对化学平衡_无影响__，一般选择_铁触媒__作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在500℃左右时活性最大，这也是温度选择的缘由之一。另外，为了防止杂质使催化剂“中毒”，原料气必需经过_净化__。4．浓度：为提高平衡转化率，工业上实行_快速冷却__的方法，使氨气变成液氨并刚好分别，分别后的原料气_循环运用__，并刚好补充_N2和H2__，使反应物保持肯定的浓度。二、化学反应的调控影响化学反应进行的因素有两个方面：参与反应的物质_本身因素__(组成、结构、性质等)和_外界条件__(温度、压强、浓度、催化剂等)。化学反应的调控，就是通过变更外界条件使一个可能发生的反应依据某一方向进行。在实际生产中，要综合考虑_化学反应速率__和_化学平衡__的因素，找寻一个相宜的生产条件。预习自测1．合成氨时，可以提高H2利用率的措施是(B)A．上升温度 B．刚好分别出NH3C．充入过量氢气 D．运用催化剂解析：该反应为放热反应，上升温度，平衡逆向移动，氢气的利用率降低，故A错误；刚好分别出NH3，生成物浓度减小，平衡正向移动，能提高H2利用率，故B正确；充入过量氢气，平衡正向移动，但氢气的利用率降低，故C错误；催化剂能变更反应速率，但不影响平衡移动，不变更氢气的利用率，故D错误。2．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(B)A．不断将氨分别出来B．运用催化剂C．采纳500℃左右的高温而不是700℃的高温D．采纳2×107～5×107Pa的压强解析：把氨分别出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，较低温度利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能实行高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而运用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。3．2024年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖104周年。N2和H2生成NH3的反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1。下列关于合成氨工艺的理解正确的是(D)A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS不肯定都小于零B．限制温度(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、压强肯定时，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，利于反应正向进行解析：依据N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1可知，该反应ΔH小于零，该反应为气体物质的量减小的反应，所以ΔS小于零，A错误；该反应ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1小于零，限制温度(773K)远高于室温有利于平衡逆向移动，不能提高平衡转化率，但是可以加快反应速率，B错误；当温度、压强肯定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，容器体积增大，相当于减小压强，平衡逆向移动，降低平衡转化率，C错误；NH3可以形成分子间氢键，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，D正确。学问点1合成氨条件的选择问题探究：催化剂铁触媒以什么形态存在更有利于反应进行？原料气为什么要循环利用？探究提示：铁触媒是固体，粉末状更有利于反应进行；原料气(气体)在铁触媒(固体)表面的接触反应有限，不能充分反应，因此要循环利用。学问归纳总结：合成氨原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0合成氨工业简要流程图：该反应的特点：①可逆反应；②正反应为放热反应；③气体总体积缩小的反应。1．依据上述反应特点，从理论上分析：(1)使氨生成得快的措施(从反应速率考虑)：①增大反应物的浓度；②上升温度；③增大压强；④运用催化剂。(2)使氨生成得多的措施(从平衡移动考虑)：①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强。2．合成氨条件的选择：在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的相宜条件的选择：(1)浓度：一般采纳N2和H2的体积比13，同时增大浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环运用。(2)温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，500℃左右为宜，此温度也是催化剂活性温度范围。(3)合成氨是体积缩小的可逆反应，压强增大，有利于氨的合成，但对设备要求也就很高，所需动力也越大，应选择适当压强。(4)催化剂：选用铁触媒，能加快反应速率，减小达到平衡所需时间。典例1下列关于工业合成氨的叙述正确的是(C)A．合成氨工业温度选择为700K左右，只是为了提高NH3产率B．运用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响C．合成氨生产过程中将NH3液化分别，可提高N2、H2的转化率D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度解析：合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故B错误；削减生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分别，可提高N2、H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气的浓度，故D错误。变式训练❶有关合成氨工业的生产流程如图所示。下列关于合成氨工业的说法中不正确的是(B)A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想B．合成氨反应需在低温下进行C．对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D．运用催化剂可以提高反应速率，但不能使平衡向正反应方向移动解析：低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率和催化剂的催化效率，故合成氨不采纳低温条件，B项错误。学问点2化学反应的调控问题探究：1．处理硫酸工业尾气SO2的一种常用方法是“氨—酸”法，即先用氨水汲取，再用浓硫酸处理，请写出反应方程式？2．有人探讨用Na2SO3作为治理SO2污染的一种新方法，该方法的第一步是用Na2SO3水溶液汲取SO2，其次步是加热汲取溶液，使之重新生成Na2SO3，同时得到含高浓度SO2的水蒸气副产品。这种尾气处理方法与“氨—酸”相比的优点是什么？探究提示：1．SO2＋2NH3·H2O=(NH4)2SO3＋H2O、(NH4)2SO3＋H2SO4=(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O。2．Na2SO3＋H2O＋SO2=2NaHSO3、2NaHSO3Na2SO3＋H2O＋SO2↑，视察两个反应可知Na2SO3可循环运用。学问归纳总结：在工业生产中，经常涉及可逆反应，如合成氨工业中N2和H2的反应、硫酸工业中将SO2氧化成SO3的过程都是可逆反应。可逆反应中，反应速率和反应物转化为产物的百分率(转化率)可以通过变更反应条件加以限制。调控化学反应在原理上应从两方面考虑：化学反应速率和化学平衡。在实际生产中经常须要结合设备条件、平安操作、经济成本等状况。综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，找寻一个相宜的生产条件。此外，还要依据环境爱护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。在化工生产中还要同时考虑限制某些反应条件的成本和实际可行性，因此转化率的凹凸不是唯一要考虑的因素。近年来，环境爱护条件提升到首要考虑的因素，预处理及生产过程中产生的废气、废液、废渣状况及处理成本，往往成为是否采纳该工艺的确定性因素。典例2工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。反应2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(△))2SO3在不同条件下达到平衡状态时SO2的转化率如下表(原料气各成分的体积分数为SO2：7%、O2：11%、N2：82%)；压强/MPa转化率/%温度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4试回答下列问题：(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_压强肯定时，温度上升时，SO2的转化率降低，说明上升温度有利于平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应__。(2)提高该化学反应限度的途径有_增大压强或在肯定范围内降低温度__。(3)在400～500℃时，SO2的催化氧化采纳常压而不是高压，主要缘由是_增大压强对SO2的转化率影响不大，同时增大成本__。(4)已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1，每生产1000t98%硫酸所须要的SO3的质量为_8×102__t，由SO2生产这些SO3所放出的热量为_9.83×108__kJ。解析：(1)由表中数据可知，压强肯定时，温度上升时，SO2的转化率降低，说明上升温度有利于平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应。(2)由表中数据可知，压强和温度对平衡移动都有影响，增大压强SO2的转化率增大，但增大的幅度较小，上升温度SO2的转化率减小，说明该反应为放热反应，上升温度平衡向逆反应方向移动，所以提高该化学反应限度的途径有增大压强或在肯定范围内降低温度。(3)由表中数据可知，增大压强对SO2的转化率影响不大，同时增大成本，故通常采纳常压而不是高压。(4)1000t98%的硫酸含有H2SO4的质量为1×109×98%＝9.8×108g，设须要SO3的质量为m，放出的热量为y，则：2H2SO4～2SO3～Q＝196.6kJ2×98g2×80g196.6kJ9．8×108gmy则：2×98g：9.8×108g＝2×80g：m，2×98g：196.6kJ＝9.8×108g：y，解得：m＝8×108g＝8×102t，y＝9.83×108kJ。变式训练❷一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：Ⅰ.C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)ΔH1Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH2Ⅲ.CaO(s)＋CO2(g)CaCO3(s)ΔH3Ⅳ.C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s)CaCO3(s)＋2H2(g)ΔH4＝－64.9kJ·mol－1副反应：Ⅴ.C(s)＋2H2(g)CH4(g)ΔH5＝－74.8kJ·mol－1Ⅵ.CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)ΔH6＝－206.1kJ·mol－1回答下列问题：(1)已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数K1、K2随温度的变更如图1、图2所示。①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，ΔH1＝_＋131.3_kJ·mol－1__；反应Ⅰ的ΔS_>__(填“>”或“<”)0。②温度小于800℃时，K1＝0，缘由是_未达到自发进行的反应温度__。③为提高反应Ⅱ中CO的转化率，可实行的措施是增大eq\f(n(H2O),n(CO))(写一条)。④T℃时，向密闭容器中充入1molCO(g)和3molH2O(g)，只发生反应Ⅱ，此时该反应的平衡常数K2＝1，CO的平衡转化率为75%。(2)从环境爱护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是_削减温室气体(CO2)的排放__。(3)起始时在气化炉中加入1molC、2molH2O及1molCaO，在2.5MPa下，气体的组成与温度的关系如图3所示。①200～725℃时，CH4的量不断削减的缘由是反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，上升温度平衡逆向移动。②725～900℃时，H2的物质的量分数快速减小，其缘由是_CaCO3起先分解，生成的CO2与H2反应__。解析：(1)①依据盖斯定律：Ⅴ－Ⅵ可得：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)ΔH1＝－74.8＋206.1＝＋131.3kJ·mol－1；反应ⅠC(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的ΔS>0；②反应自发进行须要达到肯定的温度，温度小于800℃时，K1＝0，缘由是未达到自发进行的反应温度；③针对CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)反应，该反应为气体体积变更为0的反应，为提高反应Ⅱ中CO的转化率，可实行的措施是增大水蒸气浓度的方法达到目的；④Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)反应，设一氧化碳变更量为xmol，设容器的体积为1L，列三段式：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)起始浓度1300变更浓度xxxx平衡浓度1－x3－xxx平衡常数K＝eq\f(x2,(1－x)(3－x))＝1，x＝0.75mol，所以CO的平衡转化率为75%。(2)依据CaO(s)＋CO2(g)CaCO3(s)反应可知，从环境爱护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是削减温室气体(CO2)的排放。(3)①反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，依据图像分析可知，200～725℃时，CH4的量不断削减的缘由是上升温度平衡逆向移动。②725～900℃时，碳酸钙发生分解，产生的二氧化碳与氢气反应，氢气的量减小，H2的物质的量分数快速减小。专家博客呈现通过铬酸钾和重铬酸钾相互转化(Cr2Oeq\o\al(2－,7)橙色＋H2O2CrOeq\o\al(2－,4)黄色＋2H＋)时的颜色变更探究生成物浓度对平衡的影响，图像法理解如下：①增大H＋浓度(加浓硫酸)时的速率—时间图像和浓度—时间图像②减小H＋浓度(加NaOH溶液)时的速率—时间图像和浓度—时间图像【图像变更规律】通过变更浓度影响化学平衡时，速率—时间图像和浓度—时间图像中主动变更的一方突变，因平衡移动被动变更的一方渐变。1．合成氨生产中，说法正确的是(D)A．运用催化剂，提高原料的利用率B．采纳高温、高压工艺提高氨的产率C．产物用水汲取，剩余气体循环利用D．增大反应物浓度，对v正影响更大解析：催化剂不影响平衡的移动，不变更原料利用率，A项错误；工厂通常采纳10MPa～30MPa的高压合成氨，有利于平衡正移，可提高产率，高温时催化剂活性高，但不利于提高产率，B项错误；平衡混合气冷却使氨气液化，而不是用水汲取，C项错误；增大反应物浓度，正逆反应速率都加快，对v正影响更大，D项正确。2．下列有关工业合成氨的说法不能用平衡移动原理说明的是(D)A．不断补充氮气和氢气B．选择10～30MPa的高压C．刚好液化分别氨气D．选择500℃左右的高温同时运用铁触媒作催化剂解析：增大N2和H2浓度，平衡正向移动，选择高压平衡正向移动，分别氨气，减小生成物浓度，平衡正向移动，都可用平衡移动原理说明，A、B、C均不选；催化剂只变更速率，平衡不移动，不能用平衡移动原理说明，故选D。3．二甲醚(DME)正渐渐替代化石燃料。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＝_－1_460.5__kJ·mol－1。②300℃，1L恒容密闭容器中充入4molH2和2molCO，测得容器内压强变更如下：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75%，CO的平均反应速率v(CO)＝_0.075__mol·L－1·min－1。该温度下的平衡常数K＝_3__(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的选择性随温度变更如图。已知：CH3OCH3的选择性＝eq\f(2n(CH3OCH3)生成,n(CO2)消耗)×100%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＝_0.045__mol。温度高于300℃，CO2的平衡转化率随温度上升而上升的缘由是_上升温度，反应Ⅰ正向进行，CO2的平衡转化率上升；反应Ⅱ逆向进行，CO2的平衡转化率下降，300_℃后升温，上升幅度大于下降幅度__。②220℃时，CO2和H2反应一段时间后，测得A点CH3OCH3的选择性为48%，不变更反应时间和温度，肯定能提高CH3OCH3的选择性的措施有_增大压强、运用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂__。解析：(1)①(ⅰ)H2(g)的燃烧热化学方程式为H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(l)ΔH＝－285.8kJ·mol－1；(ⅱ)CO(g)的燃烧热化学方程式为CO(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO2(g)ΔH＝－283.0kJ·mol－1；(ⅲ)4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH＝－204.7kJ·mol－1；(ⅳ)H2O(g)=