化学反应条件的优化-工业合成氨-2024-2025学年鲁科版高一化学复习

第2章化学反应的方向、限度与速率

第4节化学反应条件的优化一工业合成氨

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01/学习目标明确内容要求,落实学习任务

02/思维导图构建知识体系,加强学习记忆

03/知识导学梳理教材内容,掌握基础知识

04/效果检测课堂自我检测,发现知识盲点

05/问题探究探究重点难点,突破学习任务

06/分层训练课后训练巩固,提升能力素养

学习目标

1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合

调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。

2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中

的实际问题。

重点：温度、浓度、压强和催化剂对合成氨反应的影响。

难点：根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速率

和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。

皿02思维导图

皿03知识导学

一、外界条件对合成氨反应的影响

1.升高温度、增大压强、增大反应物的浓度及使用催化剂等,都可以使合成氨的反应速率增大。

2.降低温度、增大压强、增大反应物的浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。

3.催化剂可以增大反应速率,但不改变平衡混合物的组成。

二、合成氨生产条件的选择和优化

1.合成氨反应的限度

(1)反应原理

1

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)A//=-92.2kJmol-,AS=—198.2JKfmoL。

(2)反应特点

合可逆性：反应为可逆反应

成

氨体积变化:正反应是气体体积避小的反应

反焙变：,嫡变：AS<0

应

自发性：AH—Tasqo,常温下熊自发进行

(3)影响因素

①外界条件：降低温度、增大压强,有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

②投料比：温度、压强一定时，N2、比的体积比为时平衡混合物中氨的含量最高。

【特别提醒】合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、用循环使用的措施。

2.合成氨反应的速率

(1)提高合成氨反应速率的方法

升高温度1

增大压强一合成氨的

一提高

增大反应物浓度一反应速率

使用催化剂,

(2)浓度与合成氨反应速率之间的关系

151

在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v=fc(N2)-c-(H2).c-(NH3),由速率

方程可知：增大N,或H,的浓度,减小NHa的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。

【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，

使合成氨反应的速率提高。

3.合成氨生产的适宜条件

(1)合成氨反应适宜条件分析

工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的转

化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技

术条件。

(2)合成氨的适宜条件

序号影响因素选择条件

1温度反应温度控制在700K左右

2物质的量2、H,投料比128

3压强1x107〜ixl()8pa

4催化剂选择铁做催化剂

5浓度使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2

(3)合成氨的生产流程的三阶段

、,高温、八1

V/11.111917J0119

4-催化剂

-7

-催化剂」"

度包-消除造气过程中夹带的杂质,防止催化剂中毒

氨的适时分离

成氨|--的循环使用

固-N2.H,

合成气的预热

三、工业生产中选择适宜生产条件的选择和优化

1.工业生产中选择适宜生产条件的原则

(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焰变三个角度分析。

(2)根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。

(3)从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。

有利于加快速率的有利于平衡正向移动的条

外界条件综合分析结果

条件控制件控制

增大反应物的浓度、减小

浓度增大反应物的浓度不断地补充反应物，及时地分离出反应产物

反应产物的浓度

催化齐U加合适的催化剂不需要加合适的催化剂

AH<0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度

温度高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并

A^>0高温

考虑催化剂的活性

Av<0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压

压强高压(有气体参加)g

Avg>0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强

2.工业合成氨生产条件的选择

(1)合成氨生产的要求。

①反应要有较快的反应速率。

②要最大限度地提高平衡混合物中NE的含量。

(2)合成氨生产条件的选择依据。

①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。

②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。

(3)选择合成氨生产条件的理论分析。

外界因素理论分析

压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合

压强

指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压

温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700K

温度

左右(且在此温度时催化剂的活性最大)

催化剂使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂

合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1：2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混

浓度

合物中分离出去

其他为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用

四、利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇

【社会调查】

1.目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。

2△•成甲醇的原料(大多数国豕用CH4

2・n成甲爵的原料|我国用煤和重渣油

3.选择CO?作碳源合成甲醇的原因

(1)工业废气中含大量CO2,排放到空气中会带来环境问题；

(2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；

(3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。

【研学活动一】选择合适的化学反应

假设反应焰变和嫡变不随温度的改变而变化，已知298K,100kPa时，有如下反应：

1

®CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)48=-48.97kJmor177.16JmoLKT

②CO2(g)+2H2O(g)=CH3OH(g)+y2(g)AH=+676.48kJmoL-43.87J-mol-'K-1

111

@CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H,O(g)△〃=+41.17kJ-molAS=+42.08J-mor^

1.请根据焰变和嫡变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？

【提示】反应①，AH—TAS=-48.97kJmoL-298Kx(—0.17716)

kJmol-1-K-1=3.82kJmol^O,该反应属于放热燧减反应，降低温度时正向反应自发进行。

反应②，7As=+676.48kJ-moL—298Kx(—0.04387)kJmoL又一吐+689.55kJmoLX),该反应属

于吸热嫡减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。

反应③，+41.17kJmol1-298KxO.04208kJ-mol-1-K-1~+28.63kJmol^O,该反应属于吸热

焙增反应，在高温下正向反应自发进行。

2.用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？

【提示】有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。

【研学活动二】选择适宜的反应条件

1.理论分析

角度1：反应限度(转化率)

反应①在低温时自发进行，Avg<0,加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？

【提示】需在低温、高压条件下进行。

角度2：反应速率

为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。

矛盾之处——发现问题：

升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；使用催化剂加快反应速率，

但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。

理论分析条件的选择

工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追

求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。

2.例证——实际合成甲醇条件的选择

(1)不同"(H2)："(CO2)对反应的影响

z;(H2)：n(CO2)2：13：15：17：1

GC(CO2)/%11.6313.6815.9318.71

^(CH3OH)/%3.044.125.266.93

分析表中数据看出，〃(H2)："(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇

时并不是〃(H2)：〃(CC>2)的比值越大越好。

(2)改变压强对反应的影响

19

17

%X15

H(、

OA13

K

o11

)1

9

9

7

5T

Z5455

.53.54.5.

MPa

P/

不同总压对甲醇产率的影响

523K,〃(H2)："(CO)2=3：1,

催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维

从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。

(3)温度对反应的影响

19

18

7

1

%16

、1

(H5

01

K14

e1

a13

12

1

1

1

10

1

4

55

804060

不同温度对甲醇产率的影响

总压5MPa,H(H2)：n(CO2)=3：l,

催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维

从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。

1.从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？

【提示】应选择合适的"(H2)：〃(CC)2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。

2.从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？

【提示】配置二氧化碳富集装置、甲醇一水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。

【方法技巧】设计化学反应来解决实际问题的一般思路

在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。这时，首先需要判断所设

计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是否能够正向自发进行、能进行到什么程度。只有在确

知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。

睢1a04效果检测”

1.判断对错(对的在括号内打“卡，错的在括号内打“X"。)

(1)合成氨反应在高温下能自发进行。()

(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。()

(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。()

(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。()

【答案】(l)x合成氨反应A5<0,7AS的值在低温时小于0。

(2)x合成氨反应△〃<(),温度越低越利于平衡正向移动。

⑶4

(4)x催化剂同倍数的加快正、逆反应速率，对转化率无影响。

2.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是()

A.升高温度B.减小压强

C.使用催化剂D.及时分离出氨气

【答案】D

【解析】合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向

移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移

动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生

变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增

大，D项符合题意。

110

0H问题探究"以

A问题一工业合成氨条件的选择

【典例1］（23-24高二上•天津河北•期中）下列关于合成氨工业说法不正确的是

A.根据勒夏特列原理，500。（2左右比室温更有利于合成氨的反应

B.合成氨厂一般采用10MPa~30MPa,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素

C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应

D.将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒”

【答案】A

【解析】A.合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的浓度减小，所以室温比500℃

左右更有利于合成氨的反应，故A错误；

B.合成氨厂一般采用10MPa-30MPa,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素，因为压强大，反应速

率快，有利于合成氨，但是压强太高，对仪器设备要求也高，压强过低，反应速率慢，不利于合成氨，故B

正确；

C.将混合气体中的氨液化，减小了生成物的浓度，合成氨反应的化学平衡正向移动，有利于合成氨，故C

正确；

D.将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质，比如氧气，能和催化剂铁在高温下反应，使催化

齐小‘中毒"，故D正确；故选A。

【变式1-1］（23-24高二上•河南信阳•期中）下列有关合成氨工业的说法正确的是

A.原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成的氨不纯

B.实际生产中，将氨气液化分离后的原料气循环使用，可提高经济效益

C.合成氨工业的反应温度控制在400~500℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动

D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无须考虑设备、条件

【答案】B

【解析】A.原料气必须经过净化的主要目的是为了防止合成氨的催化剂“中毒”，A错误；

B.实际生产中，将氨气液化分离后提高产率，分离后的原料气循环使用，可提高经济效益，B正确；

C.采用400℃~500℃，可加快反应速率，不利于平衡正向移动，不能增大反应物的平衡转化率，C错误；

D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，对设备要求高，D错误；故选B。

【变式1-2］（23-24高二上•四川宜宾•期末）下列有关合成氨工业的说法正确的是

A.由于氨易液化，电、凡在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高

B.铁触媒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

C.合成氨工业的反应温度控制在400〜500。。目的是使化学平衡向正反应方向移动

D.从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,故合成氨厂的产率都很低

【答案】A

【解析】A.由于氨易液化，用和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高，故A正确；

B.催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故B错误；

C.控制反应温度为400〜500（,一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，故C错误;

D.虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所

以生产NH3的效率还是很高的，故D错误；故选A。

A问题二工业合成氨工艺流程

【典例2】（23-24高二上•四川自贡•期中）下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的

措施是

A.①②③B.①③⑤C.②④⑤D.②③④

【答案】C

【解析】工业合成氨的化学方程式为N2+3H2K=2NH3,反应是可逆反应，反应前后气体体积减小，

反应是放热反应；依据合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施为：增大压强，平衡向体积

减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮

气和氢气的循环使用，也可提高原料的转化率，故选C。

【变式2-1］（23-24高二上•云南曲靖・期末）氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的

生产流程示意如下。

液态NHsNH3+N2+H2

下列说法不正确的是

A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性，原料气必须经过净化

B.压缩机加压过程，既要考虑平衡移动的问题，又要考虑加压对设备材料的强度设备的制造要求的问题

C.合成氨反应的温度控制在500（左右，此温度下反应物的平衡转化率最大

D.冷却过程，及时将NH3从平衡混合物中分离除去，促使合成氨反应向生成氨气的方向移动

【答案】C

【解析】A.催化剂“中毒”会丧失催化活性，所以原料气必须经过净化处理，故A正确；

B.加压，合成氨平衡向右移动，但加压又要考虑对设备材料的强度、设备的制造要求的问题，故B正确；

C.合成氨反应为放热反应，温度越低，平衡转化率越高，所以温度控制在500。（3左右，不是因为此温度下反

应物的平衡转化率最大，故C错误；

D.冷却过程，及时将NE分离除去，减小生成物浓度，可促使平衡向生成氨气的方向移动，故D正确；

故选C。

【变式2-2］（23-24高二上•福建厦门・期中）下图为工业合成氨流程图，该反应速率方程为

L51

V=kc（N2）c（H2）c-（NH3）,原料气（N2、凡及少量CO、NH3的混合气体）在进入合成塔前可经过铜氨液

净化处理，其反应为：［Cu（NH3）2『（aq）+CO（g）+NH3（g）UCu（NH3）3CO］+eq）AH<0,有关说法错误

的是

A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒

B.步骤②中“加压”既可以提高合成氨原料的转化率，又可以加快反应速率

C.为保证足够高的反应速率，反应达到一定转化率时需及时将氨从体系中分离

D.“净化”时适当升高温度，可增大反应速率和CO的平衡转化率

【答案】D

【分析】N2和H2净化干燥除去含P、S、As的化合物等杂质后，加压既能提高反应速率，又能促进平衡正

向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也

低，因此综合考虑将温度设定在500（并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的N%液化分离出来

以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用；

【解析】A.步骤①中“净化”是除去杂质，以防止铁催化剂中毒，A正确；

B.合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反

应速率，B正确；

C.在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移动，能保持足够高的原料转化率,

结合V=kc（N2）c「5（H2）cT（NH3）可知，分离出氨气也可以促使反应速率加快，C正确；

D.“净化”时经过铜氨液净化处理反应为放热反应，适当升高温度，可增大反应速率，但是导致反应逆向进行,

CO的平衡转化率降低，D错误；故选D。

A问题三工业生产中选择适宜生产条件的原则

【典例3】可逆反应3H2（g）+N2（g）—2NH3（g）A//<0,达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选

项中米用的三种方法都正确的是（）

A.升高温度，减小压强，增加氮气

B.降低温度，增大压强，加入催化剂

C.升高温度，增大压强，增加氮气

D.降低温度，增大压强，分离出部分氨

【答案】D

【解析】本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。

因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加

快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会

使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。

【变式3-1】工业合成氨的反应为N2（g）+3H2（g）-2NH3®A/*。，该反应应采取的适宜条件是（）

A.低温、高压、催化剂

B.适宜的温度、高压、催化剂

C.低温、常压、催化剂

D.适宜的温度和压强、催化剂

【答案】D

【解析】降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在500°C左右；增

大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，

要选择催化剂，故D项符合题意。

【变式3-2】某工业生产中发生反应：2A（g）+B（g）一2M（g）下列有关该工业生产的说法正确的是

)

A.工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成

B.若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率

C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高，反应物的转化率越高

D.工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量

【答案】D

【解析】工业上合成M可能采用常压，如H2s。4工业中S03的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B

的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高

反应速率。

A问题四工业制硫酸条件的选择

【典例4］（23-24高二上•广东•期末）工业上制备硫酸的一步重要反应是S0。在400〜500。（：下的催化氧化

反应2so2+O2U2sAH<0o下列有关说法错误的是

A.实际生产中，SO2,再循环使用提高原料利用率

B.在实际生产中控制温度为400〜500。。温度过低速率慢，温度过高SO?转化率低

C.为提高反应速率和平衡时SO2的转化率，实际生产中采用的压强越大越好

D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件

【答案】C

【解析】A.该反应是一个可逆反应，实际生产中，SO2、。2再循环使用提高原料利用率，A正确；

B.选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，

选择400-500（既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是该反应催化剂的催化活性、反应速率、

反应限度等角度综合考虑的结果，B正确；

C.在二氧化硫的催化氧化中，增大压强会增加成本，实际生产中采用的压强并不是越大越好，C错误；

D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效

率降低生产的成本，D正确；故选C。

【变式4-1］（23-24高二上•广东广州•期末）工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确

的是

不同压强下接触室中S02的平衡转化率/%

温度/℃

IMPalOMPa

45099.299.7

55094.997.7

循环利用98.3%H2sO4

工艺流程国幽冷却分Iso；回处一产品

A.循环利用的物质是SC）3

B.2SO2（g）+O2（g）=T2SO3（g）为放热反应

C.吸收塔中98.3%H2SO4表现强氧化性

D.实际生产中，接触室中应采用温度450。（2,压强lOMpa

【答案】B

【解析】A.2so2（g）+C）2（g）『-2SC>3（g）为可逆反应，未参与反应的二氧化硫可循环利用，A错误；

B.由表知，在相同压强下，升高温度，二氧化硫的平衡转化率减小，则2sO2（g）+C>2（g）-^2sC）3（g）为放热

反应，B正确；

C.吸收塔中98.3%H2sO’是为了吸收三氧化硫，不体现强氧化性，C错误；

D.IMpa和lOMpa两状态SO2的平衡转化率相差不大，但lOMpa压强大，对动力和设备要求高，所以实际生

产中，接触室中应采用温度450。<2,压强IMpa,D错误；故选B。

【变式4-2］（23-24高二上•辽宁锦州•期末）在硫酸工业中，使SO2氧化为SO3的反应为

2SO2（g）+O2（g）^2SO3（g）AH=-196.6kJ/molo下表列出了恒容密闭容器中，在不同温度和压强下，反

应达到平衡时so2的转化率。下列说法错误的是

平衡时so2的转化率/%

0.1MPa0.5MPaIMPa5MPalOMPa

450℃97.598.999.299.699.7

500℃85.692.994.997.798.3

A.通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率

B.尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率

C.在实际生产中，应选择的条件是45（TC,lOMPa

D.在实际生产中，选定的温度为400-500。。主要原因是考虑催化剂的活性最佳

【答案】C

【解析】A.容器为恒容刚性容器，充入与反应无关的气体，气体的浓度不变，转化率不变，A正确；

B.SO2会造成酸雨，污染环境，尾气中的S02需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，B正

确；

C.根据表格数据可知，45（FC时二氧化硫的转化率比500。（2时的高，虽然lOMPa时转化率增大，但对设备要

求高，故应选择450。。5MPa,C错误；

D.为了催化剂的活性最佳，温度选定为400〜500。。D正确；故选C。

A问题五探究利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇

【典例5】（23-24高二上•河北衡水•期末）研究表明，在催化剂a（或催化剂b）存在下，CO2和H?能同时发

生两个平行反应，反应的热化学方程式如下：

①CC)2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)A//7=-53.7kJ/mol

②CC)2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)A/72=+41.2kJ/mol

某实验小组控制CO2和H2初始投料比为122。在相同压强下，经过相同反应时间测得的实验数据如下:

实验编号T(K)催化齐UCO2转化率(%)甲醇选择性(％)

1543催化剂a12.342.3

2543催化剂b10.972.7

3553催化剂a15.339.1

4553催化剂b12.071.6

(备注)甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。

下列说法不正确的是()

A.相同温度下，该时段内，催化剂b对CO2转化成CH30H有较高的选择性

B.反应①在无催化剂、有催化剂a和有催化剂b三种情况下能量示意图如图

C.其他条件不变，增大反应体系压强反应②中平衡常数不变

D.其他条件不变，升高温度反应①中CO2转化为CH30H平衡转化率增大

【答案】D

【解析】A.由实验1、2可知，2中甲醇选择性高，则相同温度下，在该时刻催化剂b对C02转化成CH30H

有较高的选择性，故A正确；

B.催化剂可降低反应的活化能，不影响始终态，且催化剂b对应的活化能最小，图象合理，故B正确。

C.平衡常数与温度有关，则其他条件不变，增大反应体系压强反应②中平衡常数不变，故C正确；

D.反应①为放热反应，升高温度平衡逆向移动，则升高温度反应①中CO2转化成CH30H平衡转化率减小，

故D错误；故选D。

【变式5-1](23-24高二下•浙江杭州•期末)利用COz合成甲醇也是有效利用CO?资源的重要途径。将原料

气n(CO2):»(H2)=1:3充入某一恒容密闭容器中，只发生C02(g)+3H2(g)CH30H(g)+H20(g)AH,在

不同催化剂作用下，反应tmin时CO2的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是

28

转

化

率催化剂I「:/

催化剂n『：

看T2心T4T5温度

A.使用催化齐打时，d点未达到平衡

B.c点转化率比a点低的原因一定是催化剂活性降低

C.T4温度下的反应速率大于与温度下的反应速率

D.若a点时，v(H?)正=3v(CH3OH)逆，则此条件下反应已达到最大限度

【答案】B

【解析】A.使用催化剂I时，CO2的转化率随温度升高先增大后减小。温度低于T4时，该反应未达平衡，

温度升高，CO2的转化率随着反应速率增大而增大：温度高于T4时，可能是催化剂活性降低，也可能是平

衡逆向移动，导致CO2的转化率减小，因此d点未达到平衡，故A正确；

B.c点转化率比a点低的原因可能是催化剂活性降低，也可能是平衡逆向移动，故B错误；

C.温度T4高于T3,升高温度反应速率加快，故T,温度下的反应速率大于T3温度下的反应速率，故C正确;

D.由于丫(凡)正=3v(C&0H)正，若a点时，v(H?)正=3v(CHQH)逆，则v&EOH)jv(CEOH)逆，a点处于平

衡状态，反应已达到最大限度，故D正确；故选B。

【变式5-2](23-24高二上•江苏连云港•期中)利用CO2和H?合成甲醇，可以减少CO?的排放。涉及的主

要反应如下：

反应I：C02(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)阳<0

反应H：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)AH2>0

在IL密闭容器中通入ImolCO?和244moiH2,选择合适的催化剂反应，甲醇的选择率(生成甲醇的CO?

占CO?总转化量的物质的量分数)和CO2的平衡转化率随温度的变化趋势如图所示。下列说法不正确的是

24

9o

22工

co20C(553,20)甲

的2E

二

8o醇

平aA

18的

衡

选

转

16b7o择

化

，

-率

率

14)B、

\6O％

、

兴12

F(553,60)

A.曲线a表示甲醇的选择率

B.其它条件不变，增大压强可提高平衡时CH30H的体积分数

C.553K时，反应n的平衡常数K=0.1

D.553K时，反应I和反应n参加反应的氢气物质的量之比为9：2

【答案】C

【解析】A.当温度升高时反应I平衡逆向移动，而反应II平衡正向移动且幅度更大，所以CO2的转化率增加,

但甲醇的选择性降低，所以曲线a表示甲醇的选择率，故A正确；

B.其它条件不变，增大压强平衡向气体体积减小的方向进行，对反应I平衡正向移动，可提高平衡时CH30H

的体积分数，故B正确；

C.根据信息甲醇的选择率是转化的CO2中甲醇的含量，553K时CO2的平衡转化率是20%,甲醇的物质的量

是Ix20%x60%=0.12mol,则反应I参加反应的H2为0.36mol,生成的H2O为0.12moL反应H中参加反应

的CO?：lx20%-0.12=0.08mol,参加反应的H2为：0.08mol>生成的H2O为0.08mol,反应I在553K下平

衡时的物质的量分别为CO2：0.8mol,H2：2.44-0.36-0.08=2mol,CH3OH：0.12,H2O：0.12+0.08=0.2mol,

反应n,平衡时，物质的量分别为CO黑0.8moLH2：2.44-0.36-0.08=2moLH2O：0.12+0.08=0.2moLCO：

0.08mol,体积保持IL不变，553K时，反应II的平衡常数K==og,故C错误；

0.8x2

D.由C项分析可知，反应I参加反应的H2为0.36mol,反应II中参加反应的C氏为：0.08mol,所以反应I

和反应II参加反应的氢气物质的量之比为9：2,故D正确；故选C。

国Off分层训练"

1.（23-24高三上•湖北•期末）已知工业合成氨是在400-500（,10-30Mpa,催化剂作用下进行的，下列说

法中符合工业合成氨生产实际的是

A.V2O5作催化剂B.催化剂活性是选择该反应温度的重要原因

C.将N2和H2液化D.NHs由吸收塔吸收

【答案】B

【解析】合成氨的催化剂是铁触媒，A错误；反应温度决定反应速度和催化剂活性，催化剂可以极大加快

反应速率，因此，催化剂活性是反应温度高低的重要决定因素，B正确；反应时仅需要将N2和持续通入

即可，不需液化，C错误；生成的氨气因存在分子间氢键，在一定压强下及适当降温下，可以液化，然后移

除反应体系，不需要吸收塔吸收，D错误；故选B。

2.（23-24高二上•海南•期末）氨主要来源于工业合成氨：Nz+H2fNH3（未配平）。中国科学家研制出新型

催化剂，将该反应的温度、压强降至350。（2、IMPa.相比于常温、常压。下列措施一定能提高的平衡转化

率的是

A.采用合适的高效催化剂B.采用较高的温度

C.采用较高的压强D.增大反应体系中H2的浓度

【答案】C

【解析】采用合适的高效催化剂，只能降低反应的活化能，从而加快反应速率，缩短反应到达平衡的时间，

但不能提高H2的转化率，A不符合题意；合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，则在较高温

度下，川的平衡转化率降低，B不符合题意；合成氨反应为体积缩小的可逆反应，采用较高的压强，有利

于平衡正向移动，能提高H2的转化率，C符合题意；增大反应体系中H2的浓度，虽然平衡正向移动，但

比的转化率降低，D不符合题意；故选C。

3.(23-24高二上•福建宁德•期末)某温度下，在密闭容器中进行合成氨反应：

N2(g)+3H2(g)F=^2NH3(g)AH<0»下列叙述正确的是

A.升高温度，平衡向正反应方向移动

B.充入一定量N?,N?的转化率不变，应的转化率变大

C.工业生产中未转化的合成气循环利用，主要是为了提高氮气和氢气的利用率

D.增大压强，可增大单位体积内活化分子的百分数，有效碰撞增多

【答案】C

【解析】该反应为放热反应，升温，平衡会逆反应方向移动，A错误；充入一定量N2,平衡会正反应方向

移动，比的转化率变大，但N2的转化率减小，B错误；未转化的合成气循环利用，主要是为了提高氮气和

氢气的利用率，C正确；增大压强，可增大单位体积内活化分子的数目，有效碰撞增多，但单位体积内活化

分子的百分数未变，D错误；故选C。

4.(23-24高二上•天津•期末)下列关于工业合成氨的叙述错误的是

A.合成氨没有选择更大的压强是因为压强过大会增加生产投资，降低综合经济效益

B.使用铁触媒能降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应

C.工业合成氨温度为400〜500℃是因为升高温度有利于提高反应物的平衡转化率

D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动

【答案】C

【解析】压强过大对设备的要求比较大，会增加生产投资，A正确；催化剂通过降低反应的活化能，提高

反应速度，B正确；合成氨的反应为放热反应，温度越高，平衡逆向移动，不利于提高反应物的平衡转化

率，C错误；分离生成物，根据勒夏特列原理，减少生成物浓度，平衡正向进行，D正确；故选C。

5.(23-24高二上•天津宁河・期末)已知合成氨反应N,(g)+3H2(g)T1^42NH3(g)AH<0,既要使合

成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是

①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出NE；⑥补充N2或H2⑦加催化剂；

A.③④⑤⑦B.②④⑥C.仅②⑥D.②③⑥⑦

【答案】C

【分析】合成氨反应N,(g)+3H,(g)、%学、2NH3(g)AH<0,该反应的特点为：正反应放热且气体分

子数减小；据此分析。

【解析】①减压，反应速率减慢，平衡逆向移动，NH3的产率减小，①不可采取；

②加压，反应速率加快，平衡正向移动，N%的产率增大，②可采取；

③升温，反应速率加快，平衡逆向移动，NE的产率减小，③不可采取；

④降温，反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，④不可采取；

⑤及时从平衡混合气中分离出NH3,反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑤不可采取；

⑥补充N2或H2,反应速率加快，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑥可采取；

⑦加催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，NH3的产率不变，⑦不可采取；

故选②⑥；故选C。

6.（23-24高二上•山西晋中•期中）学习“化学反应的速率和化学平衡”内容后，联系工业生产实际所发表的观

点，你认为正确的是

A.化学反应速率理论可指导怎样提高原料的平衡转化率

B.化学平衡理论可指导怎样使用有限原料多出产品

C.温度升高，分子动能增加，反应所需活化能减少，反应速率增大

D.增大压强能提高活化分子的百分率，提高单位时间内分子有效碰撞次数

【答案】B

【解析】化学反应速率是表示物质反应的快慢，不能改变原料的转化率，A错误；化学平衡理论结合影响

化学平衡的因素，采用合适的外界条件，是平衡向正反应方向移动，可提高产率，B正确；温度升高，分

子动能增加，活化分子比例增大，反应速率增大，不是反应所需活化能减少，C错误；增大压强能提高单

位体积内活化分子数目，提高单位时间内分子有效碰撞次数，不是提高活化分子的百分率，D错误；故选

Bo

7.（23-24高二上•安徽六安•期中）合成氨工业中，在催化剂作用下发生反应N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）。

下列说法正确的是

A.该反应的反应物键能总和大于生成物的键能总和

B.实际生产中通常选择20（TC、lOOMpa条件下合成氨

C.采取迅速冷却的方法，使气态氨变为液态氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高氨的产量

D.增大催化剂的表面积，可有效加快反应速率和提高平衡转化率

【答案】C

【解析】合成氨的反应为放热反应，根据反应的熔变等于反应物的键能和减去生成物的键能和可知，该反

应的反应物键能总和小于生成物的键能总和，A错误；工业生产中宜选择200（条件，此时催化剂活性较

大，但不宜选用lOOMPa,因为氨的含量在此条件下升高并不明显，且成本较高，B错误；氨气易液化，实

际生产中，采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，从平衡角度考虑，

平衡向正反应方向移动，从而可提高转化率与产率，C正确；增大催化剂的比表面积（单位质量的物质所具

有的总表面积），可有效加快反应速率，但不会影响平衡，即不能提高平衡转化率，D错误；故选C。

8.（23-24高二上•河南信阳・期末）下列有关化学工业的说法正确的是

A.硫酸工业生产采用常压，是因为SO?在常压下的转化率已经很高了

B.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入的空气越多越好

C.合成氨工业，在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的

D.合成氨工业采用循环操作，主要是为了增大化学反应速率

【答案】A

【解析】A.硫酸工业生产采用常压，是因为SO2在常压下的转化率已经很高了，若采用高压，平衡能向右

移动，但效果并不明显，比起高压设备得不偿失，A正确；硫酸工业中，通入适量过量的空气可提高SO?

的转化率，但通入的空气过多会需要更多的预热能量，所以不是越多越好，B错误；合成氨是放热反应，温

度升高提高速率，温度低转化率高，对温度的要求不一致，C错误；合成氨工业采用循环操作，主要是为了

提高氮气和氢气的利用率，D错误；故选A。

素养提升

1.（23-24高二上•黑龙江哈尔滨•期中）工业上制备硫酸的一步重要反应是SO?在400〜500。（2下的催化氧化反

应2so2+O2U2SO3AH<0»下列有关说法错误的是

A.从理论上分析，为了使SO,尽可能多地转化为SO3,应选择的条件是低温高压

B.在实际生产中控制温度为400〜500。。原因是温度过低速率慢，温度过高SO?转化率低

C.为提高反应速率和平衡时SO?的转化率，实际生产中采用的压强越大越好

D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件

【答案】C

【解析】该反应是一个反应前后气体体积减小的放热的可逆反应，降低温度、增大压强平衡都正向移动，

选择的条件是低温高压，A正确；选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度

平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400-50（FC既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是

该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，B正确；在二氧化硫的催化氧化

中，常压下二氧化硫的转化率很高，增大压强会增加成本，C错误；要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、

设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确；故选C。

2.（23-24高二上•四川攀枝花・期中）如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是

A.步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率

B.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒

C.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率

D.为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时及时将氨气液化分离，并将混合气中剩余的原料

气循环利用

【答案】A

【分析】加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正

向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500。(3并使用含铁催化剂

进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用。

【解析】催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，合成氨反应为放热反应，高温不利于平衡正向

移动，而液化分离出N1和N?、氏的循环再利用均可以使平衡正向移动，所以步骤④、⑤有利于提高原

料平衡的转化率，步骤③不能，故A错误；步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒，故B正确；合

成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应

速率，故C正确；在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，冲和H2的平衡转化率增大，

故D正确；故选A。

3.(23-24高二上•黑龙江哈尔滨•期末)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为S03：

2SO2(g)+O2(g)U2SO3(g)AH=-196.6kJ/molo下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO?的转

化率。下列说法错误的是

平衡时so2的转化率/%

温度/℃

0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa

45097.598.999.299.699.7

55085.692.994.997.798.3

A.在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应

B.在实际生产中，选定的温度为400〜500。(2,这与催化剂的活性无关

C.反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率

D.为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO?需回收处理

【答案】B

【解析】由表格数据可知，在常压及400〜