《化学反应的调控》课件

第四节

化学反应的调控课程目标1.

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.以工业合成氨为例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反

应和化工生产条件综合分析。3.

知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要

意

义

。图说考点N₂(g)+3H₂(g)

2NH₃(g)△H=-92.4kJ/mol高温高压增大反应物浓度使用催化剂工业合成氨的条件：

铁触媒、400~500℃、

10~30MPa低温高压

增大反应

物浓度化学平衡角度(转化率)案

例化学

反应

的调控反应

速率

角度基

础

知

识[新知预习]一

、合成氨反应的特点1.

合成氨反应的特点(1)反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol⁻¹。(2)特点①

放

热反应(△H<_0);②熵_

减小的反应(△S

<

0),

即反应过程中气体分子总数

减小

的反应；③可逆反应。对合成氨反应的影响影响因素浓度温度压强催化剂增大合成氨

的反应速率增大反应物浓

度升高

温度增大压强使用催化剂提高平衡混合

物中氨的含量增大反应物浓度降低温度增大压强—

—2.

理论分析根据合成氨反应的特点，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混

合物中氨的含量，应选择的反应条件如表所示：二、条件选择1.

压强(1)理论分析：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也越高，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)实际选择：我国的合成氨厂一般采用的压强为1

0～30_

MPa。2.

温度(1)理论分析：根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平

衡转化率。实验数据也说明了这一点(如图)。但是，温度降低会使化

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温度/℃10

MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图(2)实际选择：在实际生产中一般采用的温度为400～500℃。济

的

。3.

催化剂(1)目前，合成氨工业中普遍使用的催化剂：铁触媒(以铁为主体的

多成分催化剂)。(2)催化原理：改变反应历程，降低

反应的活化能，如图所示：E↑无催化剂EE₂

有催化剂N₂和

H₂NH₃0

反应过程(3)铁触媒在500℃左右时的活性

_最大，这也是合成氨反应一

般选择400～500℃进行的重要原因。[即时性自测]1.判断正误，正确的打“

√

”,错误的打“×”(1)合成氨反应放热，因此温度应尽可能低。(×)(2将氨气液化分离移走，可提高合成氨转化率。(

√)(3)使用铁触媒作催化剂既可提高合成氨的反应速率，又可提高氨

气的产率。(×

)(4)合成氨反应一般选择400～500

℃进行的重要原因之一为该温度下催化剂活性好。(

√

)2.下列有关以H₂

和

N₂为原料气的工业合成氨反应的说法不正确的是(

)A.

属于放热反应B.

△S>0C.

属于可逆反应D.

在恒容容器中反应，压强逐渐减小解析：工业合成氨反应为N₂(g)+3H₂(g)2NH

₃(g)△H=-92.4kJ/mol,该反应为放热反应，A项正确；该反应为气体分子数减小的反应，则△S<0,B项错误；H₂和N₂合成

NH₃的反应为可逆反应，C

项正确；

建立平衡的过程中，气体分子数逐渐减小，容器内压强逐渐减小，D

项正

确。答案：B3.已知298K时，合成氨反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)△H=

—92.4kJ.mol⁻¹,

将此温度下的1mol

N₂和3mol

H₂放在一密闭容器

中，在催化剂存在条件下进行反应，测得反应放出的热量(忽略能量损

失)(A.

一定大于92.4kJ

B.一定等于92.4kJC.

一定小于92.4kJ

D.

不能确定解析：由合成氨的热化学方程式可知，1mol

N₂和3mol

H₂完全反应，放出92.4kJ

热量，而合成氨反应为可逆反应，故1mol

N₂和3mol

H₂不可能完全反应，则达到平衡时，放出的热量小于92.4kJ,C

项正确。答案：C4.

工业合成氨中，下列措施有利于提高平衡转化率的是(

)A.

升高温度B.

从体系中分离出氨C.

使用催化剂D.

恒温恒容下，充入稀有气体解析：合成氨反应的△H<0,升温，平衡向NH₃

分解的方向移动，平

衡转化率减小，

A项不符合要求；从体系中分离出氨，可降低混合气体中NH₃的含量，从而使平衡向生成NH₃的方向移动，平衡转化率增大，

B项

符合要求；使用催化剂只能增大合成氨的反应速率，不能改变化学平衡，

平衡转化率不变，

C

项不符合要求；恒温恒容下，充入稀有气体，不能改

变反应体系中H₂

、N₂

、NH₃

的浓度，平衡不移动，则平衡转化率不变，

D

项不符合要求。答案：B压强/MPaN

H₃

的含量/%温度/℃0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.45.

下表所列实验数据是在不同温度和压强下达到平衡状态时，混

合物中NH₃

的含量(体积分数)的变化情况[投料比V(N₂):V(H₂)=1:3]。(1)比较200

℃和300

℃时的数据，可判断出升高温度，平衡向逆反应(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，合成氨的正反应为

放热

(填“吸热”或“放热”)反应。(2)根据平衡移动原理，合成氨的适宜条件是C

(填序号)。A.高温、高压B.

高温、低压C.

低温、高压

D.

低温、低压(3)500℃

、30

MPa时，N₂

的转化率为41.77%。(4)工业上实际生产氨时，考虑到浓度对化学平衡及反应速率的影

响，常采取的措施有：加入过量N₂(或H₂)(或及时从平衡体系中移走NH₃)解

析：(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，

NH₃

的含量减小，说

明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)△H<0

知，合成氨的适宜条件是

低温、高压，在低温、高压的条件下平衡向右移动，反应物的转化率增大。(3)假设N₂的用量为1mol,H₂的用量为3mol,N₂的消耗量为x

mol,

则：(4)增大反应物浓度或降低生成物浓度均有利于平衡向正反应方向移

动。N₂(g)+3H₂(g)3X3x

1—x

3-3x初始量/mol

转化量/mol

平衡量/mol2NH₃(g)02x

2x平衡时

NH₃的

含

量

为x≈0.4177,

则技

能

素

养提升点

工业生产的条件选择及解析[例]

哈伯发明用氮气和氢气合成氨的方法，获得了1918年诺贝

尔化学奖。其原理为N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)△H<0,△S

<

(填

“>”“<”或“=”)0。(1)下列关于工业合成氨的说法不正确的是

ABC(填标号)。A.

因为△H<0,

所以该反应一定能自发进行B.采用高压是为了增大反应速率，但会使反应物的转化率降低C.在高温下进行是为了提高反应物的转化率D.

使用催化剂增大反应速率是因为催化剂降低了反应的活化能(2)在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应

已达到平衡状态的是

bc

(填标号)。a.容器内N₂

、H₂

、NH₃

的浓度之比为1:3:2b.37

正(N₂)=7

逆(H₂)c.容器内压强保持不变d.

混合气体的密度保持不变请用平衡移动原理解释在工艺流程中及时分离出氨气和将NH₃分离后的原料气循环使用的原因_减小生成物的浓度，可使平衡正向移动，提高产率；将

NH₃分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率(3)工业上合成氨的部分工艺流程如图：循坏气体催化剂高温、高压混合气液氨干

燥

、

净化

加压N₂H₂N₂、H₂(4)某科研小组研究在其他条件不变的情况下，改变起始时氢气的

物质的量对工业合成氨反应的影响。实验结果如图所示(图中T

表示温

度，n表示H₂的物质的量)。起

始

时n(H₂)/moL①图中

T₂和

T₁的关系：

T₂_<(填“>”“<”或“=”)T₁

。

②a、b、c、d

四点所处的平衡状态中，N₂的转化率最高的是

c

(填字母)。①此条件下该反应的化学平衡常数K=0.1

_o②若维持容器容积不变，温度不变，向原平衡体系中加入H₂

、N₂

和

NH₃

各4mol,

化学平衡将向_逆(填“正”或“逆”)反应方向

移

动

。(6)已知：N₂(g)+3H₂(g)

2NH₃(g)△H=—92.4kJ·mol⁻¹N₂(g)+O₂(g)===2NO(g)△H=+181kJ·mol⁻¹2H₂(g)+O₂(g)===2H₂O(g)△H=-483.6

kJ·mol⁻¹(5)恒温下，向一个4L的密闭容器中充入5.2mol

H₂

和2mol

N₂,

反应过程中对NH₃

的浓度进行测定，得到的数据如表所示：时间/min51015202530c(NH₃)/(mol

·L-¹)0.080.140.180.200.200.20写

出

氨

气

催

化

氧

化

生

成

NO4NH₃(g)+5O₂(g)===4NO(g)+6H₂O(g)和水蒸气的热化学方程式△H=—904

kJ·mol-1

O解析：合成氨反应为气体分子数减小的反应，故为熵减反应，即△S<0。(1)由

△G=△H一T△S<0

可知，该反应需在一定温度下才能自发进行，

A

项错误；该反应为气体分子数减小的反应，因此高压可提高反应物的转化

率

，B项错误；该反应的△H<0,

升温使平衡逆向移动，反应物的转化率

降低，C

项错误；催化剂可改变反应历程，降低反应活化能，

D项正确。

(2a

项，容器中N₂

、H₂

、NH₃

的浓度之比为1:3:2是反应可能达到的一个

特殊状态，与该反应是否达到平衡状态无关；b

项，由化学方程式可知，v(H₂)=3v(N₂),则由

3

7

正(N₂)=7逆(H₂)可知，7正(H₂)=0逆(H₂),说

明

该

反

应达到平衡状态；c

项，该反应达到平衡前，压强逐渐减小，则容器内压

强保持不变说明该反应达到平衡状态；

d

项，恒容容器，容积不变，容器

内混合气体的质量不变，则混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度

保持不变不能作为该反应达到平衡的标志。(3)及时分离出氨气，可减小生成物的浓度，从而可使平衡正向移动，

提高产率，将

NH₃

分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率。(4①

达到平衡时，T₂时

NH₃

的体积分数大于

T₁时

NH₃

的体积分数，则

T₂<T₁。②增大H₂

的物质的量，可提高

N₂的转化率，则

c

点的N₂转化率最高。(5)①由表中数据可知，达到平衡时，

c(NH₃)=0.20mol·L⁻¹,则：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)起始量/mol转化量/mol平衡量/mol平衡浓度/(mol·L⁻¹)平衡常数4.01.00.200.80.81.60.4②向原平衡体系中加入4

mol

N₂

、4

mol

H₂

、4

mol

NH₃,

则

c(N₂)=,c(NH₃)故化学平衡逆向移动。(6)已知的3个反应，从上至下依次标记为①、②、③,根据盖斯定律，由②×2+③×3

-

①×2得4NH₃(g)+5O₂(g)===4NO(g)+6H₂O(g)△H=+181

kJ·mol⁻¹×2+(一483.6

kJ·mol⁻¹×3—(-92.4kJ·mol⁻¹)×2=-904

kJ·mol⁻¹。第

(1

)

2

)问第(3)问第(4)问第(5)问

第

(

6

问化学平衡

移动原理

图像信息

表格信息

盖斯定律信息调取状元随笔压强/MPa转化率/%温度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4是一个关键步骤。不同压强和温度下，反应达到平衡时，SO₂率如表所示(原料气各成分的体积分数为SO₂:7%O₂:11%

82%)。[提升]

工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将

SO₂转化为SO₃的转化N₂:(1)SO₂的氧化反应是放热(填“吸热”或“放热”)反应。(2根据表中信息，你认为工业上将

SO₂转化为

SO₃的适宜条件是1MPa、400～500℃(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高

SO₂的转化率?

否

(填“是”或“否”)。(4)若保持温度和容积不变，平衡后通入氧气，再达平衡时则

SO₂

的浓度_

减

小(填“增大”或“减小”)。(5)若保持温度和压强不变，平衡后通入He,SO₃

的含量

减

小(填“增大”或“减小”)。解析：(1)由表中数据可知，压强一定时，升高温度，SO₂的平衡转化

率降低，说明升高温度，平衡逆向移动，因此二氧化硫的氧化反应是放热

反应；(2)400～500℃时，SO₂的转化率都比较高，适当升高温度虽然会

牺牲一些SO₂的转化率，但是可以显著增大反应速率；压强越大，

SO₂的

转化率越高，但是10MPa

对生产设备的要求较高，生产成本也会增大，产生的额外收益却不高，因此选1

MPa

即可；(3)催化剂不改变平衡移动，

因此不能提高SO₂的转化率；(4)通入氧气相当于提高反应物的浓度，平

衡正向移动，因此二氧化硫的浓度减小；(5)保持压强不变充入氦气，容

器的容积增大，各气体的浓度减小，平衡向气体分子数增大的方向移动，

即逆向移动，因此三氧化硫的含量减小。[关键能力]工业生产中化学反应条件的优化1.

化学反应条件选择的基本原则化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产中起着重要作用，在实

际生产中应当运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡规律，既

考虑反应进行的快慢，又考虑反应的限度，在这个过程中还要坚持以下三

个原则

：(1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又

要注意对二者影响的矛盾性。(2)既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意

催化剂的活性对温度的要求。(3)既要注意理论上的需要，又要考虑实际生产(如设备条件、安全操

作、经济成本等)的可能性。2.

化学反应条件优化的基本思路(1)从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变、反应的方向四个

角度分析反应的特点。(2)根据反应特点具体分析外界条件对化学反应速率和反应限度

的影响；从化学反应速率和反应限度