化学反应的调控(原卷版)

2.4化学反应的调控学习目标重难点1．了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。2．了解合成氨生产的主要流程。3．了解工业生产条件选择的依据和原则。4．知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。重点：利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。难点：化学反应速率和化学平衡的综合调控。知识01合成氨反应特点1．合成氨反应的原理分析工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根据合成氨反应的特点，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？填入下表。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________________________________提高平衡混合物中氨的含量________________________________2．合成氨反应的数据分析下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。温度/℃氨的含量/%10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa200300400500600(1)温度升高，氨的含量________；这与速率是________的；(2)压强增大，氨的含量________；这与速率是________的。3．合成氨反应的条件调控工业合成氨的适宜条件压强________________温度________________催化剂________________浓度N2和H2的物质的量之比为1∶的投料比，氨及时从混合气中分离出去1．反应速率2．反应转化率3．合成氨的适宜条件反应条件压强温度催化剂浓度1.3×107~3×107Pa500℃

左右铁触媒使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去，及时补充N2和H21．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知：298K时，ΔH=-92.4kJ·mol-1，ΔS=-198.2J·K-1·mol-1；合成氨反应的平衡常数K=4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行。答：2．请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。答：3．增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好?为什么?答：4．既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好?为什么?答：5．工业合成氨主要考虑哪些因素?答：6．合成氨的适宜条件有哪些？序号影响因素选择条件1温度2物质的量3压强4催化剂答：7．如何选择合成氨的适宜条件？答：8．怎样提高N2、H2的利用率?答：判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)在反应N2+3H2=2NH3中，3v(H2)=2v(NH3)()(2)合成氨反应中，5s末v(N2)=0.5mol·L-1·s-1时，v(NH3)=1mol·L-1·s-1()(3)合成氨反应在高温下能自发进行()(4)已达平衡的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，当增大N2的浓度时，平衡向正反应方向移动，N2的转化率一定升高()(5)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()(6)将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动()(7)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()(8)增大压强可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动()知识02化学反应的调控1．影响化学反应进行的因素参加反应的物质的________、________、________、________、________、________、________等外界条件。2．化学反应的调控(1)含义：通过改变外界条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行；(2)考虑因素：考虑设备条件、安全操作、经济成本等；分析影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件；根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求。分析角度原则要求本身因素参加反应的物质________、________和________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________对催化剂的活性的限制从主、副反应选择性分析促进主反应、抑制副反应，提高主反应的选择性社会效益注意环境保护，把握绿色化学原则，原料、工艺绿色、低耗根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂无加合适的催化剂温度高温ΔH＜0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度ΔH＞0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性压强高压(有气体参加)Δνg＜0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压Δνg＞0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-197.8kJ·mol-1是硫酸制造工业的基本反应。在生产中通常采用通入过量空气的方法，为什么?答：题型一合成氨反应的特点【典例1】对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，下列说法中正确的是()A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率C．达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，而逆反应速率减小【答案】C【解析】达到平衡后，充入N2，平衡向正反应方向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度不会减小；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小容器体积即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。【变式1】将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是()。改变条件新平衡与原平衡比较A压缩体积N2的浓度一定变小B升高温度N2的转化率变小C充入一定量H2H2的转化率不变，N2的转化率变大D使用适当催化剂NH3的体积分数增大N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根据合成氨反应的特点：低温、高压有利于氨的合成。题型二合成氨反应的调控【典例2】关于工业合成氨的叙述中，错误的是()A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行B．温度越高越有利于工业合成氨C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本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】B【解析】因为高压利于合成氨反应向正反应方向进行，所以在条件允许下可以采取尽量高的压强，现在一些发达国家已经采用1000个大气压的高压合成氨工艺，A正确;从反应限度角度看，低温有利于氨的合成，但为了兼顾反应速率和催化剂的活性，采用了700K左右的温度，B错误;合成氨反应是可逆反应，建立平衡后有较多的反应物没有转化，应该循环使用，C正确;反应体系中分离出氨气，相当于减小生成物浓度，有利于平衡向正反应方向移动，D正确。【变式2】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，其中NH3只占15%，所以生产氨的效率都很低B．由于氨易液化，N2、H2是循环使用的，总体来说氨的产率很高C．合成氨反应温度控制在400~500℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．合成氨采用的压强是10~30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大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400~500℃2物质的量N2、H2投料之比为1∶33压强10~30MPa4催化剂选择以铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)题型三化学反应的调控【典例3】(2019年11月浙江选考)已知：2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)△H=-197.8kJ•mol—1。起始反应物为SO2和O2(物质的量之比为2：1，且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是()温度/K压强/(105Pa)673723773A．一定压强下降低温度，SO2的转化率增大B．在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等C．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间D．工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高【答案】B【解析】A项，由表格数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，一定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO2的转化率增大，A正确；B项，由于在不同温度、压强下，化学反应速率不一定相等，故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等，B错误；C项，催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短到达平衡所花的时间，C正确；D项，由图中数据可知，不同温度下，1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%，％，％，已经相当高了，且加压后转化率升高并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。故选B。【变式3】某工业生产中发生反应：2X(g)+Y(g)2M(g)ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是()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Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y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，因为使用催化剂可提高M的日产量工业生产调控主要考虑因素化学反应速率、原料的利用率、单位时间内的产量、生产中的耗能、设备条件等因素。【基础巩固】1．下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是()A．牛奶放在冰箱中冷藏B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离2．不符合工业合成氨生产实际的是A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行3．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作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500℃左右的高温而不是700℃的高温D．采用2×107～5×107Pa的压强4．合成氨反应中催化剂的作用是()A．使逆反应不发生B．使平衡向正反应方向移动C．加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间D．提高原料的转化率5．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作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500℃左右的高温而不是700℃的高温D．采用2×107～5×107Pa的压强6．已知可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，该反应达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采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7．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．使用铁触媒，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左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率8．在合成氨反应中使用催化剂和增大压强，下列叙述中正确的是()A．都能增大反应速率，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有增大压强对化学平衡有影响D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而增大压强无此效果9．下列有关合成氨工业的说法中正确的是()A．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．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间D．合成氨采用的压强是10~30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高10．化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是()A．硫酸工业中，为提高的转化率，通入的空气越多越好B．工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强C．工业合成氨，考虑催化剂的活性选择400~500℃的反应温度D．炼铁高炉的进风口设置在下端有利于燃料充分利用11．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．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④12．下列关于反应N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图中，纵坐标为反应速率v，横坐标为时间t，当反应达到平衡后，改变的条件与反应速率变化的关系中不符合实际的是()13．自然界中存在天然的大气固氮过程为：N2(g)+O2(g)2NO(g)，人工固氮则主要依靠工业合成氨，下列结论不正确的是()反应大气固氮工业固氮温度/℃27200025350400450平衡常数/K3.84×10-315×108A．工业固氮为熵减反应B．常温下，大气固氮很难进行，而工业固氮却容易进行C．人类大规模模拟大气固氮应用于工业上意义不大D．工业固氮温度越低，氮气与氢气反应越完全14．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是()A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同15．SO2在400~600℃下的催化氧化：2SO2+O22SO3，已知此正反应放热。如果反应在密闭容器中进行，下列有关说法中错误的是()A．在上述条件下，SO2不可能完全转化为SO3B．达到平衡时，SO2的浓度与SO3的浓度一定相等C．使用催化剂是为了加快反应速率，提高生产效率D．为了提高SO2的转化率，可适当提高O2的浓度16．工业上，合成氨反应N2+3H22NH3的微观历程如下图所示。用、、分别表示N2、H2、NH3，下列说法正确的是()A．①→②催化剂在吸附N2、H2时，形成新的化学键B．②→③形成N原子和H原子是放热过程C．①→⑤N2和H2全部化合成氨气D．使用合适的催化剂，能提高合成氨反应的效率【培优竞赛】17．在硫酸工业中，通过下列反应将SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

ΔH<0。已知催化剂是V2O5，在400℃-500℃左右时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率：压强1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃时SO2的转化率97.5%99.2%99.6%99.7%550℃时SO2的转化率85.6%94.9%97.7%98.3%试回答：(1)根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽快地转化为三氧化硫，从化学反应速率的角度考虑，应该选择什么样的条件？______(2)根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽量多地转化为三氧化硫，从化学反应限度的角度考虑，应该选择什么样的条件？______(3)在实际生产中，选定450℃左右作为操作温度，其原因是什么？______(4)根据表中的数据分析，制取SO3时采用的压强是多少？原因是什么？______(5)在生产中，通入过量空气的目的是什么？______(6)根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么？______18．工业合成氨的反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92kJ·mol-1(1)根据下表数据计算___________。化学键键能/kJ/mol436386x(2)在体积为的恒容密闭容器中发生上述反应，其平衡常数与温度的关系如表：T/K298398498平衡常数KK1K2判断K1___________K2(填“”、“”或“”)。②398K时进行合成氨反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_______(填字母)。A．混合气体的平均摩尔质量保持不变B．v正(N2)=3v逆(H2)C．容器内压强保持不变D．混合气体的密度保持不变(3)甲同学为了探究外界条件对反应的影响，以c0mol·L－1H2参加合成氨反应，在a、、两种条件下分别达到平衡，测得H2的浓度与反应时间的关系如图甲所示。①条件下，0-t0的平均反应速率v(N2)=_________mol·L－1·min－1。相对而言，可能改变的条件是____________________。③在条件下，t1时刻将容器容积压缩至原来的，t2时刻重新建立平衡状态。则图甲中在t1：t2时刻c(H2)的变化曲线可能为___________(填“A”、“B”、“”或“D”)。(4)乙同学向一恒温恒压容器中充入9molN2和23molH2，模拟合成氨的反应，图乙表示温度时平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(P)的关系。若体系在60MPa下达到平衡①此时N2的平衡分压为___________MPa。(分压总压物质的量分数)②经计算可得此时的平衡常数KP=___________。(用平分压代替平衡浓度计算，结果精确到0.001)19．德国人哈伯在1905年发明了合成氨的方法，其合成原理为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4kJ·mol-1，他因此获得了1918年诺贝尔化学奖。合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径，解决了亿万人口生存问题。请回答下列问题：(1)某化学研究性学习小组模拟工业合成氨的反应。在容积固定为2L的密闭容器内充入1molN2和3molH2，加入合适催化剂(体积可以忽略不计)后在一定温度压强下开始反应，并用压力计监测容器内压强的变化如下表：反应时间/min051015202530压强/MPa则从反应开始到25min时，以H2表示的平均反应速率=_______。(2)合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，初始时氮气、氢气的体积比为1：3，在相同催化剂条件下平衡混合物中氨的体积分数φ(NH3)与