第12讲 化学反应的调控 （教师版）【暑假弯道超车】2024年新高二化学暑假讲义+习题（人教版2019选择性必修1）

第12讲化学反应的调控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。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：反应为可逆反应。(3)熵变：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。(4)焓变：ΔH<0，是放热反应。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。二、工业合成氨的适宜条件1．问题讨论(1)压强①原理分析：压强越大越好。②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。③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)温度①原理分析：低温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温度为400～500℃。③不采用低温的理由：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400～500℃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缓慢。②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。③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发生反应。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的转化率仍不够高。②采取的措施：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；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。③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10～30MPa温度400～500℃催化剂使用铁触媒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]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、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。5.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考点01合成氨条件的选择【例1】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400～500℃，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。【变式1-1】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1×107～3×107Pa，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项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。考点02以合成氨为背景的综合题【例2】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，升高温度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，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。【变式2-1】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【答案】C【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。考点03化学反应的调控【例3】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廉价易得，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，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量【答案】D【解析】加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，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。【变式3-1】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．适宜的温度、高压、催化剂C．低温、常压、催化剂D．适宜的温度和压强、催化剂【答案】D【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，温度选在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。1．合成氨工业中N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)，选择适宜的压强时，不需要考虑的因素是A．反应速率 B．平衡移动 C．设备成本 D．催化剂活性【答案】D【解析】A．该反应为有气体参与的反应，因此增大压强，各物质的浓度增大，反应速率加快，提高氨气的生成速率，这是需要考虑的因素，故A不选；B．该反应为反应前后气体的总量发生变化的反应，因此增大压强，平衡右移，有利于氨高氨气的生成，这是需要考虑的因素，故B不选；C．增大压强，需要设备耐压能力要大，就要考虑到制造耐压设备的成本，这是需要考虑的因素，故C不选；D．催化剂的活性与温度有关，与压强没有关系，选择适宜的压强时，不需要考虑催化剂的活性，故D可选；故选D。2．氨是一种重要的化工原料，主要用于化肥工业，也广泛用于硝酸、纯碱、制药等工业；合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4kJ/mol。下列有关合成氨反应的说法正确的是A．高温条件下该反应可以自发B．反应的ΔH=E(N-N)＋3E(H-H)-6E(N-H)(E表示键能)C．反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2×6.02×1023D．该反应采用高温高压条件是为了增大H2的平衡转化率【答案】C【解析】A．该反应气体体积减小，是熵减的过程，即，当时反应可以自发进行，则低温条件下该反应可以自发，A错误；B．N2中氮原子间形成氮氮三键，则反应的(E表示键能)，B错误；C．反应中每消耗1molH2转移电子的数目为2NA，约等于2×6.02×1023，C正确；D．该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，不能增大H2的平衡转化率，但采用高温主要是考虑化学反应速率和催化剂的活性；该反应气体体积减小，增大压强，平衡正向移动，可以增大H2的平衡转化率，D错误；故选C。3．合成氨解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿和死亡问题，下列有关工业合成氨的说法错误的是A．反应物是和 B．过程属于生物固氮C．反应属于可逆反应 D．反应条件是高温、高压、催化剂【答案】B【解析】A．工业合成氨的原料是N2和H2

，故A正确；B．工业合成氨属于人工固氮，故B错误；C．工业合成氨N2+3H2⇌2NH3是一个可逆反应，故C正确；D．为了有利于合成氨，选择了500℃左右的高温，20MPa-50MPa的高压，同时使用铁触媒做催化剂，故D正确；故选：B。4．工业合成氨：，一般采用700K左右的温度，其原因是①提高的平衡转化率②适当提高氨的合成速率③提高氨的产率④催化剂在700K左右时活性最大A．只有① B．②④ C．②③④ D．①②【答案】B【解析】工业合成氨：，该反应是放热的可逆反应，要使平衡向正反应方向移动，应降低温度，但温度过低反应速率过小，不利于工业生成效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大。使用催化剂也能增大反应速率，但在700K左右时催化剂的活性最大，所以选择采用700K左右的温度。故选择②④，故答案选B。5．工业上用乙烯和水蒸气合成乙醇的原理为。如图是乙烯的转化率随温度、压强的变化关系，下列说法正确的是A．该反应的正反应为吸热反应B．工业上采用的压强为7MPa左右，温度为250℃左右这是综合考虑反应速率和乙醇的产率等因素的结果C．相同温度下，压强越大，乙烯的转化率越大，平衡常数越大D．给予足够的压强和适当的温度，可实现乙烯的转化率为100%【答案】B【解析】A．根据图象得到，升高温度，乙烯的转化率降低，说明平衡逆向移动，即逆向是吸热反应，则该反应的正反应为放热反应，故A错误；B．工业上采用的压强为7MPa左右，温度为250℃左右这是综合考虑反应速率和乙醇的产率、压强对设备要求等因素的结果，故B正确；C．相同温度下，压强越大，乙烯的转化率越大，但平衡常数不变，平衡常数只与温度有关，故C错误；D．该反应是可逆反应，因此乙烯的转化率不可能为100%，故D错误。综上所述，答案为B。6．下列有关合成氨工业的说法正确的是A．从合成塔出来的混合气体中，NH3只占15%，所以合成氨工业的效率都很低B．由于氨易液化，容易分离，N2、H2在实际生产中可循环利用，所以总体来说氨的产率较高C．合成氨工业的反应温度控制在700K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．合成氨工业采用铁做催化剂，是为了提高反应物的转化率【答案】B【解析】A．合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，虽然原料的转化率不高，但将生成的NH3分离出去后，再将未反应的N2、H2循环利用，可提高氨的产率，故A错误；B．由于氨易液化，容易分离，N2、H2在实际生产中可循环利用，所以总体来说氨的产率较高，故B正确；C．合成氨反应正向放热，低温才有利于平衡向正反应方向移动，合成氨工业中选择700K左右的温度，主要是从反应速率和催化剂活性两方面考虑，故C错误；D．使用催化剂不能使平衡发生移动，不影响转化率，故D错误。综上所述，答案为B。7．下列叙述符合工业合成氨生产实际的是A．V2O5做催化剂 B．NH3循环利用C．将N2和H2从体系中分离出去 D．反应温度由催化剂决定【答案】D【解析】A．工业合成氨生产中一般选择铁做催化剂，故A错误；B．生产过程中将氨气从混合气体中分离出去后得到的N2和H2可以循环利用，故B错误；C．将N2和H2从体系中分离出去，平衡逆向移动，不利于合成氨，不符合生产实际，故C错误；D．催化剂在一定温度下活性最大，催化效率最高，反应温度由催化剂决定，故D正确。综上所述，答案为D。8．工业合成氨的反应为

，该反应应采取的适宜条件是A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂【答案】D【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，温度选在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。即采取的适宜条件是：适宜的温度和压强、催化剂。答案选D。9．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【答案】D【解析】A．牛奶放在冰箱中冷藏，降低了温度，反应速率降低，A正确；B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物，相当于使用了催化剂，加快反应速率，B正确；C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂是为了防止橡胶老化，延长寿命，降低了反应速率，C正确；D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离，是降低生成物浓度，使平衡正向进行，与速率无关，D错误；故选D。10．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【答案】D【解析】A.为加快反应速率，合成氨生产中常用铁触媒作催化剂，A正确；B.为提高原料利用率，合成氨生产中N2、H2循环使用，B正确；C.NH3液化分离降低生成物浓度有利于平衡正向进行，C正确；D.合成氨反应在常压下不能进行，D错误；答案选D。11．1905年德国化学家哈伯发明了合成氨的方法，他因此获得了1918年度诺贝尔化学奖。哈伯法合成氨需要20﹣50Mpa的高压和500℃的高温下，用铁作催化剂，且氨的产率为10%～15%。2005年美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为transFe(DMeOPrPE)2Cl2的铁化合物作催化剂，在常温常压下合成出氨，反应可表示为N2+3H2=2NH3，下列有关说法正确的是（）A．不同的催化剂对化学反应速率的影响均相同B．哈伯法合成氨是吸热反应，新法合成氨是放热反应C．新法合成能在常温下进行是因为不需要断裂化学键D．新法合成与哈伯法相比不需要在高温条件下，可节约大量能源，极具发展愿景【答案】D【解析】A.不同的催化剂催化机理不同，效果也不同，但在其他条件相同时，转化率相同，A错误；B.新法合成与哈伯法合成都是反应物总能量大于生成物总能量，因此两个反应都是放热反应，只是新法降低了反应所需的能量，减少反应过程中的能源消耗，B错误；C.新法实际上是降低了反应所需的能量，旧化学键要断裂、新化学键也要同时生成，反应的本质与使用哪种催化剂无关，C错误；D.高温条件需要大量能源，用transFe(DMeOPrPE)2Cl2作催化剂，在常温常压下合成出氨，减少能源消耗，所以新法合成与哈伯法相比不需要在高温条件下，可节约大量能源，极具发展远景，D正确；故合理选项是D。12．合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是（）。①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出NH3；⑥补充N2或H2；⑦加催化剂；⑧减小N2或H2的量A．③④⑤⑦ B．②④⑥ C．仅②⑥ D．②③⑥⑦【答案】C【解析】合成氨的反应为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），该反应的特点为：正反应放热且气体分子数减小；①减压，反应速率减慢，平衡逆向移动，NH3的产率减小，①不可采取；②加压，反应速率加快，平衡正向移动，NH3的产率增大，②可采取；③升温，反应速率加快，平衡逆向移动，NH3的产率减小，③不可采取；④降温，反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，④不可采取；⑤及时从平衡混合气中分离出NH3，反应速率减慢，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑤不可采取；⑥补充N2或H2，反应速率加快，平衡正向移动，NH3的产率增大，⑥可采取；⑦加催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，NH3的产率不变，⑦不可采取；⑧减小N2或H2的量，反应速率减慢，平衡逆向移动，NH3的产率减小，⑧不可采取；可采取的是②⑥，答案选C。13．合成氨反应为

。下列有关该反应的说法正确的是A．催化剂增大了正、逆反应的活化能B．升高温度，该反应的平衡常数增大C．正反应的活化能小于逆反应的活化能D．反应在高温、高压和催化剂条件下进行可提高的平衡转化率【答案】C【解析】A．催化剂降低反应的活化能，增大反应速率，A错误；B．该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，平衡常数减小，B错误；C．该反应为放热反应，反应物的总能量大于生成物