第二章第四节化学反应的调控

第四节化学反应的调控1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，认识化学反应速率和

化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。2.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工

生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。核心素养发展目标课时对点练内容索引一、合成氨条件的理论选择二、工业合成氨的适宜条件一、合成氨条件的理论选择1.合成氨反应的特点合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。(1)自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS

0，能自发进行。(2)可逆性：反应为

反应。(3)熵变：ΔS

0，正反应是气体体积

的反应。(4)焓变：ΔH

0，是

反应。<可逆<缩小<放热条件提高反应速率提高平衡转化率压强____________________________________催化剂____________浓度

反应物浓度

反应物浓度，

生成物浓度2.原理分析根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。增大压强增大压强升高降低使用无影响增大增大降低3.数据分析根据课本表2-2在不同压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是

、

压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是

、

压强。二者在

这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。升高增大降低增大(1)在合成氨的实际生产中，低，压强越大越好(

)(2)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(

)(3)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(

)(4)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨气的产率(

)(5)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对要求是一致的(

)×××正误判断√×深度思考(1)根据反应特点，利用原理分析，增大反应速率的措施有___________________________________________________________，增大原料转化率的措施有_____________________________。

增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高，选用合适的催化剂增大压强，降低(合理即可)(2)利用下表实验数据回答问题：①应选择的_______，理由是___________________________________________________________________。②应采用的压强是________，理由是____________________________________________________________________________________________________________。450℃该反应是放热反应，升高，转化率降低；在450℃反应物转化率较高1×105Pa该压强下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高平衡时SO2的转化率/%1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3返回二、工业合成氨的适宜条件1.问题讨论(1)压强①原理分析：

。②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为

MPa。③合成氨时不采用更高压强的理由：__________________________________________________________________________________________________________________。压强越大越好10～30压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益(2)①原理分析：

有利于提高原料的平衡转化率。②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的

℃。③不采用低由：___________________________________________

。合成氨反应一般选择400～500℃进行的又一重要原因为______________

。低温400～500低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的铁触媒在500℃左右时的活性最大(3)催化剂①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分

。②选用条件：通常采用加入以

的多成分催化剂，又称

。③选择催化剂的理由：___________________________________________

。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过

。缓慢铁为主体铁触媒改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低能较快地发生反应净化(4)浓度①原理分析：在500℃和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍

。②采取的措施：采取

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；应将NH3分离后的原料气

，并及时_______

，使反应物保持一定的浓度。③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向

某著名企业，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的

，又提高了反应

，有利于合成氨反应。不够高迅速冷却循环使用补充N2和H2生成NH3的方向利用率速率外部条件工业合成氨的适宜条件压强

MPa

℃催化剂使用

作催化剂浓度液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8]2.工业合成氨的适宜条件10～30400～500铁触媒3.合成氨的工艺流程4.选择工业合成适宜条件的原则(1)考虑参加反应的物质

、

和

等本身因素。(2)考虑影响化学反应速率和平衡的、压强、浓度、催化剂等反应条件。(3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。(4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。组成结构性质(1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好(

)(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何都可自发进行(

)(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率(

)(4)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(

)(5)合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是催化剂在500℃左右时的活性最大(

)××√正误判断×√1.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是A.使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应C.700K左右比室利于合成氨的反应D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率深度思考√解析使用催化剂，对平衡某著名企业没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符题意；合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应，故加压有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；合成氨反应为放热反应，高于合成氨气，制在700K左右是考虑催化剂的活性，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。2.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)

ΔH＝－196.6kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～

500℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是________________。(2)在实际生产中，选定的400～500℃，原因是______________________________________________________________________________________________________________。450℃、10MPa在此，催化剂活性最高。低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；高，SO2转化率会降低/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是_____________________________________________。在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右某著名企业，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率(5)尾气中SO2必须回收，原因是____________________________________________________。防止污染环境；循环利用，提高原料的/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3利用率(合理即可)选择化工生产适宜条件的分析角度方法指导分析角度原则要求从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢从化学平衡某著名企业分析既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析增加价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降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对限制1.工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是A.低温、高压、催化剂

B.适宜的、高压、催化剂C.低温、常压、催化剂

D.适宜的压强、催化剂应用体验√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，在700K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。2.某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)

M(g)

ΔH<0。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廉价，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成M，因高，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√解析加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；高，平衡逆向某著名企业，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。返回课时对点练题组一合成氨条件的选择1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是A.①②③

B.②④⑤C.①③⑤

D.②③④1234567891011121314对点训练√解析②④⑤操作均有利于化学平衡向合成氨的方向某著名企业，提高转化率。12345678910111213142.下列有关合成氨工业的说法中，正确的是A.从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产

率都很低B.由于氨，N2、H2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C.合成氨工业的反应制在400～500℃，目的是使化学平衡向正反

应方向某著名企业D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件√1234567891011121314解析合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500℃的，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低利于平衡向正反应方向某著名企业，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择10～30MPa，D项错误。3.下列有关合成氨工业的说法中正确的是A.铁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某著名企业B.升高以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向某著名企业C.增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D.合成氨采用的压强是1×107～3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性

最高1234567891011121314√解析催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡某著名企业，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高利于化学平衡向合成氨的方向某著名企业，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于高低，而非压强的大小，D项错误。1234567891011121314题组二以合成氨为背景的综合题4.对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是A.升高，对正反应的反应速率影响更大B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大1234567891011121314√解析A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高，正、逆反应的反应速率都增大，但是吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，升高逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，正反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率影响相同，错误。12345678910111213145.(2020·保定高二检测)对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是1234567891011121314选项ABCD研究结果压强对反应的影响反应的影响平衡体系增加N2对反应的影响催化剂对反应的影响图示

√解析A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。123456789101112131412345678910111213146.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0,673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是A.c点处反应达到平衡B.d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同C.其他条件不变，773K下反应至t1时刻，

n(H2)比图中的d点的值要大D.a点的正反应速率比b点的小√1234567891011121314解析c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；773K>673K，工业合成氨为放热反应，升高，平衡逆向某著名企业，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。7.在N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是A.改变条件后速率—时间图像如图所示B.此过程中Q>KC.平衡体系中NH3的含量增大D.N2的转化率增大√1234567891011121314解析分离出NH3，Q<K，v正>v逆，平衡向正反应方向某著名企业，N2的转化率增大，由于分离出NH3，体系中NH3的含量减小。8.某，对于反应N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH＝－92.4kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是A.将1mol氮气、3mol氢气置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为

92.4kJB.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B)C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转

化率增大D.升高，平衡常数K增大√1234567891011121314解析该反应为可逆反应，加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；1234567891011121314该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向某著名企业，H2的转化率增大，C项正确；升高，平衡逆向某著名企业，K减小，D项错误。9.(2020·三明高二检测)相同，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是A.化学反应速率：乙>甲B.平衡后N2的浓度：乙>甲C.H2的平衡转化率：乙>甲D.平衡混合气体中H2的体积分数：乙>甲1234567891011121314√解析因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确；假设开始时乙容器的体积是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩1234567891011121314至与甲相等(如图乙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向某著名企业，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项正确、D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。1234567891011121314题组三化学反应的调控10.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)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是A.使用Cu­Zn­Fe催化剂可大大提高生产效率B.反应需在300℃下进行可推测该反应是吸热反应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√11.纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)

CH4(g)＋H2O(g)

ΔH<0，下列说法正确的是A.纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率B.缩小容器体积，平衡向正反应方向某著名企业，CO的浓度增大C.从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率D.工业生产中采用高下进行，其目的是提高CO的平衡转化率1234567891011121314√12.如图表示298.15K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，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。1234567891011121314综合强化放热92解析由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)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(600－508)kJ＝92kJ热量。(2)图中曲线____(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_____________________________________________。1234567891011121314b改变了反应的历程，降低了合成解析合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。氨反应的活化能(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、关系如图所示。若曲线a对应的500℃，则曲线b对应的能是______(填字母)。A.600℃

B.550℃

C.500℃

D.450℃1234567891011121314D解析对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高，平衡向逆反应方向某著名企业，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b对应的平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的于曲线a对应的。(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)

CO(g)＋3H2(g)

ΔH>0。一定，在1L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：①表中x＝_________mol·L－1；前2min内CH4的平均反应速率为___________________。t/minCH4/(mol·L－1)H2O/(mol·L－1)CO/(mol·L－1)H2/(mol·L－1)00.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.330.110.05mol·L－1·min－11234567891011121314由表分析2～3min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3mol·L－1。

CH4(g)＋H2O(g)

CO(g)＋3H2(g)起始浓度/(mol·L－1)

0.2

0.3

0

0转化浓度/(mol·L－1)

0.10.10.10.32和3min浓度/(mol·L－1)0.10.20.10.33～4min转化浓度/(mol·L－1)0.01

0.010.010.034min时浓度/(mol·L－1)

0.090.190.110.33所以x＝0.11。1234567891011121314②反应在3～4min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是____(填字母)。A.充入水蒸气

B.升高C.使用催化剂

D.充入氢气1234567891011121314B13.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0×105

Pa、反应时间3h)：T/K303313323353NH3生成量/×10－6mol4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：1234567891011121314回答下列问题：(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：_______________________