2025~2026高中化学选择性必修1教案学案10第二章第四节化学反应的调控

第四节化学反应的调控1．能运用浓度、压强、温度和催化剂对化学反应速率、化学平衡的影响规律，能讨论化学反应条件的选择和优化。2．针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。3．通过反应条件的选择和优化，养成多角度综合调控化学反应速率的习惯，形成绿色化学的观念。一、合成氨反应的原理分析合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。二、工业合成氨的适宜条件1．压强(1)原理分析和对实验数据的分析均表明，合成氨时压强越大越好，但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，将会大大增加生产投资，降低综合经济效益。(2)目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10MPa～30MPa。2．温度(1)根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温(填“低温”或“高温”)以提高平衡转化率。温度降低，化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，经济效益下降。(2)在合成氨实际生产中，一般采用的温度为400～500℃3．催化剂(1)通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。(2)合成氨工业中普遍使用铁触媒为催化剂，在500℃4．浓度(1)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，以促使平衡向生成氨的方向移动。(2)将分离NH3后的原料气进行循环使用，并及时补充N2和H2，以利于合成氨反应的进行。三、化学反应的调控1．影响化学反应进行的因素(1)内因：参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。(2)外因：有温度、压强、浓度、催化剂等外界条件。2．化学反应的调控(1)化学反应的调控，就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。(2)在实际生产中常常要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。(3)要根据环境保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。工业上选择适宜生产条件的原则自1754年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。活动1实验研究表明，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＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)(k为速率常数，只与温度有关)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？提示：由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与生成物浓度[c(NH3)]成反比关系。因此，在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小生成物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度，使用合适的催化剂降低反应活化能的措施来提高反应速率。活动2已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－92.2kJ·mol－1，K＝6.6×105，思考：(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？提示：为了增大化学反应速率，提高单位时间内NH3的产量。(2)试分析实际工业生产中采取500℃提示：在500℃1．工业合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0的生产条件选择中能用勒夏特列原理解释的是()①使用催化剂②高温③高压④及时将氨液化从体系中分离出来A．①③ B.②③C．③④ D.②④C解析：使用勒夏特列原理，研究的对象是可逆反应，以及改变某因素平衡向减弱这方面移动，①催化剂对化学平衡无影响，故①错误；②正反应方向是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，不利于生成氨，故②错误；③增大压强，有利于向生成物的方向进行，故③正确；④从体系中分离出氨，减少生成物浓度，有利于向氨生成的方向进行，故④正确。2．用CO2合成甲醇时可选用亚铬酸锌(ZnCr2O4)或CuCl为催化剂。工业制备亚铬酸锌是用CO还原ZnCrO4·H2O，同时生成ZnO。以亚铬酸锌为催化剂时，工业上的适宜温度是350～420℃解析：催化剂一般有温度使用条件，保证其活性最大，反应速率最大，催化效果最好。答案：此时催化剂亚铬酸锌的活性最大3．将CH4转化成CO，工业上常采用催化转化技术，反应原理为2CH4(g)＋3O2(g)2CO(g)＋4H2O(g)ΔH＝－1038kJ·mol－1。工业上要选择合适的催化剂，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验(其他条件相同)：①X在750℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×105倍；②Y在600℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×105倍；③Z在440℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×106倍；根据上述信息，你解析：正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，不利于甲烷转化为CO，因此选择Z催化剂，因为Z催化效率高且活性温度低，节能。答案：ZZ催化效率高且活性温度低，节能(或催化活性高、速度快，反应温度低)4．合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3(1)醋酸二氨合铜吸收CO的适宜条件是____________________________。(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨溶液再生的适宜条件是________。解析：(1)醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。答案：(1)低温、高压(2)高温、低压5．298.15K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应活化能的曲线图如图所示，据图回答下列问题：(1)若反应中生成2mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。(2)图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能增大反应速率的原理是________。(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如下图所示。若曲线c对应的温度为500℃A．600℃ B.C.500℃解析：(1)由图中能量状态可知1molN2与3molH2具有的总能量高于2NH3所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每生成2molNH3放出热量(600－508)kJ＝92kJ。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而增大了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线d对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线c对应的NH3的体积分数，所以曲线d对应的温度低于曲线c对应的温度。答案：(1)放热92(2)b改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能(3)D工业生产中，应从反应限度和反应速率两个角度选择生产的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较大的反应速率，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。知识点1合成氨条件的选择1．下列有关合成氨工业的叙述中，可用勒夏特列原理来解释的是()A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500℃D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率B解析：催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500℃知识点2工业生产适宜条件的选择2．据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2下列叙述错误的是()A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率B．由反应需在300℃C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率B解析：B项，加热可以增大化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。3．已知催化剂和反应条件与反应物的转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，得到下列四组实验数据，则用CO2生产甲醇的最优条件为()实验编号温度/K催化剂CO2的转化率/%甲醇的选择性/%A543Cu/ZnO纳米棒12.342.3B543Cu/ZnO纳米片11.972.7C553Cu/ZnO纳米棒15.339.1D553Cu/ZnO纳米片12.070.6B解析：分别对比A、B和C、D实验，使用Cu/ZnO纳米片催化剂，甲醇的选择性更高，对比B、D实验，温度升高，CO2的转化率升高，但甲醇的选择性降低，用CO2生产甲醇的最优选项为B。4．在一定条件下，合成气发生如下两个主要反应：CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)Δ