1、第四节化学反应的调控核心素养发展目标1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。一、合成氨反应的原理分析1合成氨反应的特点合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：H92.4 kJmol1，S198.2 Jmol1K1。(1)自发性：常温(298 K)下，HTS0，能自发进行。(2)可逆性：反应为可逆反应。(3)体积变化(熵变)：S0，正反应是气体体积缩小的反应。(4)焓变：H0，是
2、放热反应。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。条件提高反应速率提高平衡转化率压强增大压强增大压强温度升高温度降低温度催化剂使用无影响浓度增大反应物浓度增大反应物浓度，降低生成物浓度3.数据分析根据课本表22在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为13)，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升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度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。(1)在合成氨
3、的实际生产中，温度越低，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温度的要求是一致的()答案(1)(2)(3)(4)(5)在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H196.6 kJmol1(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 。答案增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高温度，选用合适的催化剂增大压强，降低温度(合理即可)(2)利用下
4、表实验数据回答问题：温度平衡时SO2的转化率(%)1105Pa5105Pa1106Pa5106Pa1107Pa450 97.598.999.299.699.7550 85.692.994.997.798.3应选择的温度是 ，理由是 。应采用的压强是 ，理由是 。答案450 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 反应物转化率较高1105Pa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 选择适宜工业生产条件的流程(1)分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。(2)原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率
5、的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。(3)根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。(4)根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。二、工业合成氨的适宜条件1问题讨论 (1)压强原理分析：压强越大越好。选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为1030 MPa。合成氨时不采用更高压强的理由：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)温度原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400500 。不采用低
6、温的理由：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济的。合成氨反应一般选择400500 进行的又一重要原因为铁触媒在500 左右时的活性最大。(3)催化剂原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。选择催化剂的理由：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。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。(4)浓度原理分析：在500 和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。采取的措施：采取迅速冷却的方法，使气
7、态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。2工业合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强1030 MPa温度400500 催化剂使用铁触媒作催化剂浓度氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H23.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组成、结构和性质等本身因素。(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、
8、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。(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H0、S”或“”)0。实际生产条件控制在250 、1.3104 kPa左右，选择此压强的理由是 。答案在250 、1.3104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低解析从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故H0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3104 kPa下，CO
9、的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。2丙烯腈(CH2=CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2=CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题：以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：C3H6(g)NH3(g)O2(g)=C3H3N(g)3H2O(g)H515 kJmol1C3H6(g)O2(g)=C3H4O(g)H2O(g) H353 kJmol1(1)两个反应在热力学上趋势均很大，其
10、原因是 ；(2)有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是 ；(3)提高丙烯腈反应选择性的关键因素是 。答案(1)两个反应均为放热量大的反应(2)降低温度、降低压强(3)催化剂解析因为生成产物丙烯腈和丙烯醛的两个反应均为放热量大的反应，所以它们均可自发进行且热力学趋势大；反应为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高丙烯腈的平衡产率；由生成丙烯腈的反应条件可知，提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。 选择化工生产适宜条件的分析角度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移动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
11、分析增加易得廉价原料，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温度的限制随堂演练知识落实1在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有()增大体积使压强减小减小体积使压强增大升高温度降低温度恒温恒容，再充入N2和H2恒温恒压，再充入N2和H2及时分离产生的NH3使用催化剂A BC D答案C解析根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，三种条件下化学反应速率降低；条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：条件下化学平衡向右移动；条件下化学平衡不移
12、动。2下列事实能用勒夏特列原理解释的是()A使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深C500 左右比室温更有利于合成氨的反应D将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应答案D解析A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释；C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取500 左右，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。3对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是()A升高温度，对正反应的反应速率影响更大B增大压强，对正反
13、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答案B解析A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对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，使正反应的速率瞬间减小，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、逆反应的反应速率的影响相同，错误。4(2020保定高二
14、检测)对于合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)Hp2，由p1p2，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H0，故升温平衡左移，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。5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(aq)CO(g)NH3(g)Cu(NH3)3COAc(aq)(正反应为放热反应)。(1)醋酸二氨
15、合铜吸收CO的生产适宜条件是 。(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，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是 。答案(1)低温、高压(2)高温、低压解析(1)醋酸二氨合铜吸收CO的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。题组一合成氨反应适宜条件的选择11913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
16、 B C D答案B解析操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。2在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是()A不断将氨分离出来B使用催化剂C采用700 K左右的高温而不是900 K的高温D采用11073107 Pa的压强答案B解析把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度(700 K)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应的进行，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。3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
17、气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低B由于氨易液化，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合成氨工业的反应温度控制在400500 ，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，无需考虑设备、条件答案B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，但生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400500 的温度，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，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学
18、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1030 MPa，D项错误。4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移动B升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动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11073107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高答案C解析催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C
19、项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。题组二化工生产适宜条件的选择5合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是()降低温度增大压强使用催化剂增大CO的浓度增大水蒸气的浓度A B C D答案C解析增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。6据报道，在300 、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)6H2(g) C
20、H3CH2OH(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的利用率答案B解析B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。题组三合成氨反应的图像题7某密闭容器中发生如下反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是()At2时加入催化剂 Bt
21、3时降低了温度Ct5时增大了压强Dt4t5时间内转化率一定最低答案A解析合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。8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)H673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，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。9.在N2(g)3H2(
22、g)2NH3(g)HKC平衡体系中NH3的含量增大DN2的转化率增大答案D 解析分离出NH3，Qv逆，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，使体系中NH3的含量减小。10.某温度下，对于反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1。N2的平衡转化率()与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是()A将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJB平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)甲B平衡后N2的浓度：乙甲CH2的平衡转化率：乙甲D平衡混合气体中H2的体积分数：乙甲答案D解析因为乙容器中的原料投入量正
23、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移动，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。13在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(
24、y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答下列问题：(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是 。(2)此可逆反应的正反应是 热反应。(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由： 。答案(1)A点、B点(2)放(3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增大；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低解析(1)从图像中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，
25、说明此反应的正反应放热。14如图表示298.15 K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2 mol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，铁触媒能加快反应速率的原理是 。(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ，则曲线b对应的温度可能是 (填字母)。A600 B550 C500 D450 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g)H0。一定温度下
26、，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：t/minCH4/molL1H2O/molL1CO/molL1H2/molL100.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.33表中x molL1；前2 min内CH4的平均反应速率为 。反应在34 min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升高温度C使用催化剂 D充入氢气答案(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(4)0.110.05 molL1 min1B解析(1)由图中能量状态可知N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量
27、，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，每生成2 mol NH3放出(600508) kJ92 kJ热量。(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。(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b对应的温度下平衡混合物中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对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) 前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)v(H2)0.05 molL1
28、min1。由表分析23 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 molL1。 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g)起始浓度/,molL1 0.2 0.3 0 0 转化浓度/,molL1 0.1 0.1 0.1 0.32和3 min浓度/molL1 0.1 0.2 0.1 0.334 min转化浓度/molL1 0.01 0.01 0.01 0.034 min时浓度/molL1 0.09 0.19 0.11 0.33所以x0.11。3 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应大于0.2 molL1 ；若升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，
29、生成物浓度均增加，而且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入H2，平衡向左移动，生成物浓度均多于2 min时的浓度。15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生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0105 Pa、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量/106 mol4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)2NH3(
30、g)O2(g) H765.2 kJ mol1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： 。(2)工业合成氨的反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算：该条件下N2的平衡转化率为 。该条件下反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为 。根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是 (填字母)
31、。a研制耐高压的合成塔b采用超大规模的工业生产c研制耐低温复合催化剂d探索不用H2和N2合成氨的新途径答案(1)升温、增大N2浓度(合理即可)(2)66.7%5.0103c解析(2)设反应过程消耗x mol N2(g)。N2(g)3H2(g)2NH3(g)起始物质的量/mol 0.60 1.60 0平衡物质的量/mol 0.60x 1.603x 2x平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数为解得，x0.40，N2的平衡转化率为100%66.7%。设此时反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，c(NH3) molL10.40 molL1 ，c(N2) molL10.10 molL1，c(H2) molL10.20 molL1，K5.0103。
