2022高考化学一轮复习讲义-第7章第24讲化学反应速率　合成氨工业

第七章化学反应的方向、限度与速率第24讲化学反应速率合成氨工业考点一化学反应速率的概念及计算1．表示方法通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。2．数学表达式及单位v＝eq\f(Δc,Δt)，单位为mol·L－1·min－1或mol·L－1·s－1。3．化学反应速率与化学计量数的关系同一反应在同一时间内，用不同物质来表示的反应速率可能不同，但反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的化学计量数之比。如在反应aA(g)＋bB(g)⇌cC(g)＋dD(g)中，存在v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝a∶b∶c∶d(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)对于任何化学反应来说，都必须用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示化学反应速率(×)解析对于一些化学反应也可以用单位时间内某物质的质量、物质的量、体积、压强的变化量来表示化学反应速率。(3)单位时间内反应物浓度的变化量表示正反应速率，生成物浓度的变化量表示逆反应速率(×)(4)化学反应速率为0.8mol·L－1·s－1是指1s时某物质的浓度为0.8mol·L－1(×)(5)同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，其数值可能不同，但表示的意义相同(√)(6)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(×)题组一化学反应速率的大小比较1．(2018·郑州质检)对于可逆反应A(g)＋3B(s)⇌2C(g)＋2D(g)，在不同条件下的化学反应速率如下，其中表示的反应速率最快的是()A．v(A)＝0.5mol·L－1·min－1B．v(B)＝1.2mol·L－1·s－1C．v(D)＝0.4mol·L－1·min－1D．v(C)＝0.1mol·L－1·s－1答案D解析本题可以采用归一法进行求解，通过方程式的化学计量数将不同物质表示的反应速率折算成同一物质表示的反应速率进行比较，B物质是固体，不能表示反应速率；C项中对应的v(A)＝0.2mol·L－1·min－1；D项中对应的v(A)＝3mol·L－1·min－1。2．已知反应4CO＋2NO2eq\o(=,\s\up7(催化剂))N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下：①v(CO)＝1.5mol·L－1·min－1②v(NO2)＝0.7mol·L－1·min－1③v(N2)＝0.4mol·L－1·min－1④v(CO2)＝1.1mol·L－1·min－1⑤v(NO2)＝0.01mol·L－1·s－1请比较上述5种情况反应的快慢：____________________(由大到小的顺序)。答案③①②⑤④min－1；④v(CO)＝v(CO2)＝1.1mol·L－1·min－1；⑤v(CO)＝2v(NO2)＝0.02mol·L－1·s－1＝1.2mol·L－1·min－1，故③>①>②>⑤>④。同一化学反应中反应快慢的比较方法由于同一化学反应的反应速率用不同物质表示时数值可能不同，所以比较反应的快慢不能只看数值的大小，而要进行一定的转化。(1)看单位是否统一，若不统一，换算成相同的单位。(2)换算成同一物质表示的速率，再比较数值的大小。(3)比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应aA＋bB=cC＋dD，比较eq\f(vA,a)与eq\f(vB,b)，若eq\f(vA,a)＞eq\f(vB,b)，则A表示的反应速率比B的大。题组二化学反应速率的计算3．(2018·西安模拟)将6molCO2和8molH2充入一容积为2L的密闭容器中(温度保持不变)发生反应CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＜0。测得H2的物质的量随时间变化如图所示(图中字母后的数字表示对应的坐标)。该反应在8～10min内CO2的平均反应速率是()A．0.5mol·L－1·min－1B．0.1mol·L－1·min－1C．0mol·L－1·min－1D．0.125mol·L－1·min－1答案C解析由图可知，在8～10min内，H2的物质的量都是2mol，因此v(H2)＝eq\f(2mol－2mol,2L×2min)＝0mol·L－1·min－1，根据化学反应速率之比等于化学计量数之比，v(CO2)＝eq\f(1,3)v(H2)＝0mol·L－1·min－1，故C项正确。4．合金贮氢材料具有优异的吸氢性能，在配合氢能的开发中起到重要作用。温度为T1时，2g某合金4min内吸收氢气240mL，吸氢速率v＝________mL·g－1·min－1。答案30解析吸氢速率v＝eq\f(240mL,2g×4min)＝30mL·g－1·min－1。5．在新型RuO2催化剂作用下，使HCl转化为Cl2的反应2HCl(g)＋eq\f(1,2)O2(g)⇌H2O(g)＋Cl2(g)具有更好的催化活性。一定条件下测得反应过程中n(Cl2)的数据如下：t/min02.04.06.08.0n(Cl2)/10－3mol01.83.75.47.2计算2.0～6.0min内以HCl的物质的量变化表示的反应速率(以mol·min－1为单位，写出计算过程)。mol，v(Cl2)＝eq\f(3.6×10－3mol,4min)＝9.0×10－4mol·min－1所以v(HCl)＝2v(Cl2)＝2×9.0×10－4mol·min－1＝1.8×10－3mol·min－1。解法二HCl转化的物质的量为n，则2HCl(g)＋eq\f(1,2)O2(g)⇌H2O(g)＋Cl2(g)21n(5.4－1.8)×10－3mol解得n＝7.2×10－3mol，所以v(HCl)＝eq\f(7.2×10－3mol,6.0－2.0min)＝1.8×10－3mol·min－1。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mA＋nB⇌pC起始浓度(mol·L－1)abc转化浓度(mol·L－1)xeq\f(nx,m)eq\f(px,m)某时刻浓度(mol·L－1)a－xb－eq\f(nx,m)c＋eq\f(px,m)考点二影响化学反应速率的因素1．内因反应物本身的性质是主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为Mg＞Al。2．外因3．理论解释——有效碰撞理论(1)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。②活化能：如图图中：E1为正反应的活化能，使用催化剂时的活化能为E3，反应热为E1－E2。(注：E2为逆反应的活化能)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(1)催化剂都不参加化学反应(×)(2)升高温度时，不论正反应是吸热还是放热，正、逆反应的速率都增大(√)(3)可逆反应中减小产物的浓度可增大正反应的速率(×)(4)增大反应体系的压强，反应速率不一定增大(√)(5)增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分含量，所以反应速率增大(×)(6)对可逆反应FeCl3＋3KSCN⇌Fe(SCN)3＋3KCl，增加氯化钾浓度，逆反应速率加快(×)1．对于Fe＋H2SO4(稀)=FeSO4＋H2↑，改变某些条件会影响产生氢气的速率，请回答下列问题：(1)v(H2)－t图像中，为何AB段v逐渐增大，BC段又逐渐减小？答案AB段(v渐增)，主要原因是反应放热，导致温度升高，反应速率渐大；BC段(v渐小)，则主要原因是随反应的进行，溶液中c(H＋)渐小，导致反应速率渐小。(2)若增加铁的用量，对反应速率有何影响(不考虑表面积的变化)，为什么？答案无影响，因为固体以及纯液体的浓度视为常数，其量的变化对反应速率无影响。(3)若将稀硫酸换成浓硫酸能加快产生H2的速率吗？为什么？答案不能，因为常温下浓硫酸使铁钝化。(4)在铁与稀硫酸的反应混合物中分别加入少量①CuSO4，②CH3COONa固体，产生氢气的速率如何变化？解释变化的原因。答案①产生氢气的速率加快。原因：Fe置换Cu2＋生成单质Cu，与Fe形成原电池加快反应速率。②产生H2的速率减小。原因是：CH3COO－结合H＋，降低H＋浓度，反应速率减小。2．一定温度下，反应N2(g)＋O2(g)⇌2NO(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”)。(1)缩小体积使压强增大：__________，原因是________________________________。(2)恒容充入N2：__________。(3)恒容充入He：__________，原因是______________________________________。(4)恒压充入He：__________。答案(1)增大单位体积内，活化分子数目增加，有效碰撞的次数增多，因而反应速率增大(2)增大(3)不变单位体积内活化分子数不变，因而反应速率不变(4)减小气体反应体系中充入惰性气体(不参与反应)时对反应速率的影响(1)恒容：充入“惰性气体”→总压增大→物质浓度不变(活化分子浓度不变)→反应速率不变。(2)恒压：充入“惰性气体”→体积增大→物质浓度减小(活化分子浓度减小)→反应速率减小。1．(2018·山西质检)反应C(s)＋H2O(g)⇌CO(g)＋H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是()①增加C的量②将容器的体积缩小一半③保持体积不变，充入N2使体系压强增大④保持压强不变，充入N2使容器体积变大A．①④B．②③C．①③D．②④答案C⇌解析增大固体的量、恒容时充入不参与反应的气体对化学反应速率无影响。⇌2．2SO2(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up9(V2O5),\s\do3(△))2SO3(g)是制备硫酸的重要反应。下列叙述正确的是()A．催化剂V2O5不改变该反应的逆反应速率B．增大反应体系的压强，化学反应速率一定增大C．该反应是放热反应，降低温度将缩短反应达到平衡的时间D．在t1、t2时刻，SO3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1～t2内，生成SO3(g)的平均反应速率v＝eq\f(c2－c1,t2－t1)答案D解析V2O5作为催化剂，能同等程度改变正、逆化学反应速率，A项错误；压强并不是影响化学反应速率的唯一因素，只有当其他条件不变时增大压强，化学反应速率才增大，B项错误；不管是吸热反应还是放热反应，降低温度化学反应速率均减小，使达到平衡所需的时间增多，C项错误；据v＝eq\f(Δc,Δt)可知，Δc＝c2－c1，Δt＝t2－t1，D项正确。3．(2018·天津一中调研)已知分解1molH2O2放出热量98kJ，在含少量I－的溶液中，H2O2分解的机理为H2O2＋I－→H2O＋IO－慢H2O2＋IO－→H2O＋O2＋I－快下列有关该反应的说法正确的是()A．反应速率与I－浓度有关B．IO－也是该反应的催化剂C．反应活化能等于98kJ·mol－1D．v(H2O2)＝v(H2O)＝v(O2)答案A解析A项，将题给两个反应合并可得总反应为2H2O2=2H2O＋O2↑，该反应中I－作催化剂，其浓度的大小将影响该反应的反应速率；B项，该反应中IO－是中间产物，不是该反应的催化剂；C项，反应的活化能表示一个化学反应发生所需要的最小能量，分解1molH2O2放出98kJ热量，不能据此判断该反应的活化能；D项，由反应速率与对应物质的化学计量数的关系可知v(H2O2)＝v(H2O)＝2v(O2)。*下列表格中的各种情况，可以用对应选项中的图像表示的是()选项反应甲乙A外形、大小相近的金属和水反应NaKB4mL0.01mol·L－1KMnO4溶液分别和不同浓度的2mLH2C2O4(草酸)溶液反应0.1mol·L－1的H2C2O4溶液0.2mol·L－1的H2C2O4溶液C5mL0.1mol·L－1Na2S2O3溶液和5mL0.1mol·L－1H2SO4溶液反应热水冷水D5mL4%的过氧化氢溶液分解放出O2无MnO2粉末加MnO2粉末答案C解析由于K比Na活泼，故大小相同的金属K和Na与水反应，K的反应速率更快，又由于Na、K与H2O反应均为放热反应，随着反应的进行，放出大量的热，反应速率逐渐加快，A项不正确；由于起始时乙中H2C2O4浓度大，故其反应速率比甲中快，B项不正确；由于甲反应是在热水中进行的，温度高，故甲的反应速率大于乙，随着反应的进行，反应物浓度逐渐减小，故甲、乙中反应速率逐渐减小，C项正确；MnO2在H2O2的分解过程中起催化作用，故乙的反应速率大于甲，D项不正确。(1)由于固体和纯液体的浓度可视为常数，故改变其用量反应速率不变。但当固体颗粒变小时，其表面积增大将导致反应速率增大。(2)压强对化学反应速率的影响是通过改变反应物浓度实现的，所以分析压强的改变对反应速率的影响时，要从反应物浓度是否发生改变的角度来分析。若改变总压强而各物质的浓度不改变，则反应速率不变。(3)改变温度，使用催化剂，反应速率一定发生变化，其他外界因素的改变，反应速率则不一定发生变化。(4)其他条件一定，升高温度，不论正反应还是逆反应，不论放热反应还是吸热反应，反应速率都要增大，只不过正、逆反应速率增加的程度不同。考点三合成氨适宜条件的选择1．反应特点N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH<0ΔS<02．反应条件选择的理论分析(1)反应限度角度：低温、高压，有利于提高转化率。(2)反应速率角度：高温、高压、使用催化剂，有利于提高化学反应速率。3．适宜条件(1)温度：700_K左右，此时催化剂活性最大。(2)压强：低压(1×107Pa)，中压(2×107～3×107Pa)和高压(8.5×107～1×108Pa)三种类型。(3)催化剂：铁触媒。(4)N2与H2的物质的量之比(投料比)：1∶2.8。4．合成氨工业的简要流程可用方框图表示为(1)原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO＋H2，CO＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(催化剂))CO2＋H2。(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。(3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。(4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。(1)使用铁做催化剂，可提高合成氨反应的速率和平衡转化率(×)(2)高压比常压条件更有利于合成氨的反应(√)(3)500℃左右比室温更有利于合成氨的反应，提高H2的平衡转化率(×)(4)合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率(√)(5)合成氨采用2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高(×)(6)合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间(√)1.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A．提高分离技术B．研制耐高压的合成塔C．研制低温催化剂D．探索不用N2和H2合成氨的新途径答案C解析由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。2．(2018·青岛诊断)合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下：关于合成氨工业的说法中不正确的是()A．混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想B．合成氨反应须在低温下进行C．对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D．使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动答案B解析低温虽然有利于平衡正向移动，但低温会导致反应速率降低，不利于提高生产效率，答案选B。3.工业合成氨N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)反应过程中的能量变化如图所示，据图回答下列问题：(1)该反应通常用活性铁做催化剂，加活性铁会使图中B点______(填“升高”或“降低”)，理由是____________________________________________________。(2)450℃时该反应的平衡常数________(填“<”“>”或“＝”)500℃时的平衡常数。(3)一定条件下的密闭容器中，该反应达到平衡，要提高H2的转化率，可以采取的合理措施有______(填字母)。a．高温高压 b．加入催化剂c．增加N2的浓度 d．增加H2的浓度e．分离出NH3答案(1)降低催化剂能降低反应的活化能(2)>(3)ce解析(1)催化剂能降低反应的活化能。(2)该反应正向为放热反应，低温有利于平衡正向移动，450℃时反应正向进行的程度大，即450℃对应的平衡常数大。(3)高温使化学平衡逆向移动，H2转化率降低，a不合理；催化剂对平衡无影响，b不合理；增加N2的浓度可以提高H2的转化率，c可以；d会降低H2的转化率；分离出NH3，有利于平衡右移，e可以提高H2的转化率。4．乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯气相直接水合法或间接水合法生产。回答下列问题：(1)间接水合法是指先将乙烯与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯(C2H5OSO3H)，再水解生成乙醇。写出相应反应的化学方程式：_______________________________________________。(2)已知：甲醇脱水反应2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH1＝－23.9kJ·mol－1甲醇制烯烃反应2CH3OH(g)=C2H4(g)＋2H2O(g)ΔH2＝－29.1kJ·mol－1乙醇异构化反应C2H5OH(g)=CH3OCH3(g)ΔH3＝50.7kJ·mol－1则乙烯气相直接水合反应C2H4(g)＋H2O(g)=C2H5OH(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。与间接水合法相比，气相直接水合法的优点是_______________________________________。答案(1)C2H4＋H2SO4(浓)=C2H5OSO3H、C2H5OSO3H＋H2O=C2H5OH＋H2SO4(2)－45.5污染小、腐蚀性小等解析(1)由题给信息可写出：C2H4＋H2SO4(浓)=C2H5OSO3H、C2H5OSO3H＋H2O=C2H5OH＋H2SO4。(2)将已知的三个热化学方程式依次编号为①、②、③，根据盖斯定律，用①－②－③即得所求的热化学方程式，由此可得到ΔH＝－45.5kJ·mol－1。气相直接水合法生产乙醇时没有使用强腐蚀性、强酸性的浓硫酸，故与间接水合法相比，具有污染小、腐蚀性小等优点。1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)使用催化剂能够降低化学反应的反应热(ΔH)(×)(2016·天津理综，3A)(2)FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解，同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同(×)(2015·天津理综，3C)(3)探究温度对硫代硫酸钠与硫酸反应速率的影响时，若先将两种溶液混合并计时，再用水浴加热至设定温度，则测得的反应速率偏高(×)(2016·浙江理综，8B)(4)探究催化剂对H2O2分解速率的影响：在相同条件下，向一支试管中加入2mL5%H2O2和1mLH2O，向另一支试管中加入2mL5%H2O2和1mLFeCl3溶液，观察并比较实验现象(√)(2015·江苏，13D)2．下列叙述不正确的是()A．用稀硫酸和锌粒制取H2时，加几滴CuSO4溶液以加快反应速率(2018·全国卷Ⅲ，10A)B．向2支盛有5mL不同浓度NaHSO3溶液的试管中同时加入2mL5%H2O2溶液，观察实验现象，不能达到探究浓度对反应速率的影响的目的(2018·全国卷Ⅱ，13D改编)C．在酶催化淀粉水解反应中，温度越高淀粉水解速率越快(2018·江苏，10D)D．下图是室温下H2O2催化分解放出氧气的反应中c(H2O2)随反应时间变化的曲线，说明随着反应的进行H2O2分解速率逐渐减小(2018·江苏，13B)答案C解析可形成锌铜原电池，加快反应速率，A正确；反应的离子方程式为HSOeq\o\al(－,3)＋H2O2=SOeq\o\al(2－,4)＋H＋＋H2O，这说明反应过程中没有明显的实验现象，因此无法探究浓度对反应速率的影响，B正确；温度过高可能使酶(一种蛋白质)变性，失去生理活性，C错误；根据图像，随着时间的推移，c(H2O2)变化趋于平缓，随着反应的进行H2O2分解速率逐渐减小，D正确。*－1，采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。②在343K下，要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是________；要缩短反应达到平衡的时间，可采取的措施有________、________。③比较a、b处反应速率大小：va________vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v＝v正－v逆＝，k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数，x为物质的量分数，计算a处的eq\f(v正,v逆)＝____(保留1位小数)。答案②及时移去产物改进催化剂提高反应物浓度③大于1.3解析②在343K时，要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是及时移去产物，使平衡向右移动；要缩短反应达到平衡的时间，需加快化学反应速率，可采取的措施有提高反应物浓度、改进催化剂等。③温度越高，反应速率越快，a点温度为343K，b点温度为323K，故反应速率：va>vb。反应速率v＝v正－v逆＝，则有v正＝，v逆＝，343K下反应达到平衡状态时v正＝v逆，即＝，此时SiHCl3的平衡转化率α＝22%，经计算可得SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11，则有k正×0.782＝k逆×0.112，k正/k逆＝0.112/0.782≈0.02。a处SiHCl3的平衡转化率α＝20%，此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1，则有eq\f(v正,v逆)＝＝eq\f(k正,k逆)·＝eq\f(0.02×0.82,0.12)≈1.3。4．(2018·海南，16)过氧化氢(H2O2)是重要的化工产品，广泛应用于绿色化学合成、医疗消毒等领域。回答下列问题：(1)已知：H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(l)ΔH＝－286kJ·mol－1H2(g)＋O2(g)=H2O2(l)ΔH＝－188kJ·mol－1过氧化氢分解反应2H2O2(l)=2H2O(l)＋O2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。不同温度下过氧化氢分解反应的平衡常数K313K________K298K(填“大于”“小于”或“等于”)。(2)100℃时，在不同金属离子存在下，纯过氧化氢24