化学反应的调控 讲义 上学期高二化学人教版（2019）选择性必修1

2.4化学反应的调控课标定向1.掌握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。(变化观念与平衡思想)2.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。(科学态度与社会责任)【教材认知·内化必备知识】一、合成氨反应的原理分析1.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?请填入下表。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增大反应物浓度高温高压使用提高平衡混合物中氨的含量增大反应物浓度,减小生成物浓度低温高压无影响2.结论升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等,都可以使合成氨的反应速率增大;降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。催化剂可以增大反应速率,但不改变平衡混合物的组成。二、实际合成氨工业中选择的生产条件合成氨温度、压强与氨的含量关系如下表:温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4(1)压强:理论和实验数据的分析均表明,合成氨时压强增大可以同时提高反应速率和转化率。但是,压强越大,对材料的强度和设备的要求也越高,增加生产投资并可能降低综合经济效益。一般采用的压强为10~30MPa。

(2)温度:温度升高有利于提高反应速率,温度降低有利于提高反应转化率。因此,需要选择一个适宜的温度,一般采用的温度为400~500℃。

(3)催化剂:加入催化剂可以加快反应速率,对化学平衡无影响,一般选择铁触媒作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在500℃左右时活性最大,这也是温度选择的原因之一。另外,为了防止杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。

(4)浓度:为提高平衡转化率,工业上采取迅速冷却的方法,使氨气变成液氨后及时分离,分离后的原料气循环使用,并及时补充氢气和氮气,使反应物保持一定的浓度。三、调控化学反应需考虑的问题1.影响化学反应进行的因素有两个:参加反应的物质本身因素(组成、结构、性质等)和外部条件(温度、压强、浓度、催化剂等)。2.生产要求:化学反应的调控,就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中,要考虑设备条件、安全操作、经济成本等因素,综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素,寻找适宜的生产条件。【质疑辨析】(1)在合成氨的实际生产中,温度越低、压强越大越好。(×)提示:温度太低,化学反应速率太慢;压强过大,设备承受压力较大。(2)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。(×)提示:恒容条件下充入稀有气体不影响反应物浓度,不影响NH3的合成。(3)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应,在任何温度下都可自发进行。(×)提示:工业合成氨是熵减的反应。(4)合成氨反应只有在催化剂的条件下才能增加转化率。(×)提示:催化剂不影响平衡转化率。(5)合成氨中在提高反应速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的。(×)提示:高温有利于提高化学反应速率,但不利于提高原料的转化率。【合作探究·形成关键能力】探究任务:工业上选择适宜生产条件的原则【导学探究】工业上以黄铁矿(FeS2)为原料生产硫酸的工艺流程如图:A为沸腾炉:4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2;B为接触室:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-196.6kJ·mol-1;C为吸收塔:SO3+H2OH2SO4。接触室中利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是工业制硫酸中最关键的步骤。下表是不同压强、温度时SO2的转化率情况。温度不同压强下SO2的转化率/%1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3(1)工业生产中通常选择的温度是450℃,理由是什么?提示:该反应是放热反应,升高温度,反应物转化率降低,在450℃时反应物转化率较高。(2)工业生产中通常选择的压强是多少?理由是什么?提示:1×105Pa。常压下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,但对设备的要求更高。(3)在合成SO3的过程中,解释不需要分离出SO3的原因。提示:SO2的转化率比较高,达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少,故不需要分离出SO3。(4)生产中通入过量空气的目的是什么?提示:增大O2浓度,提高SO2的转化率。(5)选择合适的催化剂,是否可以提高SO2的转化率?是否可以增大该反应所放出的热量?提示:否。否。【归纳总结】化学反应的调控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。【针对训练】1.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速率时,数值大小一定相同【解析】选A。当氮气和氢气投料比为1∶3时,v(N2)∶v(H2)=1∶3,两种原料的转化率相同,故达到平衡时氨的体积分数最大,A正确;增加铁触媒的接触面积,加快反应速率,可以提高合成氨工厂的年产量,B错误;平衡时,物质的浓度关系取决于起始量和转化率,所以到平衡时,H2和NH3的浓度比不一定为3∶2,C错误;反应速率之比等于化学计量数之比,因化学计量数不同,则反应速率的数值不同,D错误。2.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+CO+NH3[Cu(NH3)3CO]Ac(正反应为放热反应)。(1)醋酸二氨合铜吸收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________________________。

【解析】(1)醋酸二氨合铜吸收CO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。答案:(1)低温、高压(2)高温、低压[借题发挥](1)必须除去原料气中CO的原因是?提示:防止催化剂中毒。(2)合成氨工艺中选择温度为500℃有哪些原因?提示:①保证尽可能高的平衡转化率;②加快反应速率,提高效率和经济性;③500℃左右催化剂的活性最大。【补偿训练】工业制硫酸中的一步重要反应是SO2在400~500℃和常压下的催化氧化:2SO2+O22SO3,这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行,下述相关说法中错误的是()A.反应温度选择400~500℃是从该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果B.因为在常压下该反应的速率和SO2的转化率已经很高了,所以选择常压条件主要是从生产成本角度考虑C.为提高SO2的转化率,应适当提高O2的浓度D.使用催化剂是为了加快反应速率,提高SO3产率【解析】选D。催化剂不影响平衡,则使用催化剂是为了加快反应速率,而SO3产率不变,D错误。【链接高考·明晰高考方向】【真题示例】【典例】(2022·辽宁选择考节选)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖,其反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1ΔS=-200J·K-1·mol-1。回答下列问题:(1)合成氨反应在常温下___________(填“能”或“不能”)自发。

(2)___________温(填“高”或“低”,下同)有利于提高反应速率,___________温有利于提高平衡转化率,综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素,工业常采用400~500℃。

针对反应速率与平衡产率的矛盾,我国科学家提出了两种解决方案。(3)方案一:双温-双控-双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495℃时,Fe的温度为547℃,而TiO2-xHy的温度为415℃)。下列说法正确的是___________。

a.氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率b.N≡N在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率c.“热Fe”高于体系温度,有利于提高氨的平衡产率d.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率(4)方案二:M-LiH复合催化剂。下列说法正确的是________。

a.300℃时,复合催化剂比单一催化剂效率更高b.同温同压下,复合催化剂有利于提高氨的平衡产率c.温度越高,复合催化剂活性一定越高(5)某合成氨速率方程为v=kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根据表中数据,γ=________;

实验c(N2)/mol·L-1c(H2)/mol·L-1c(NH3)/mol·L-1v/mol·L-1·s-11mnpq22mnp2q3mn0.1p10q4m2np2.828q在合成氨过程中,需要不断分离出氨的原因为________。

a.有利于平衡正向移动b.防止催化剂中毒c.提高正反应速率[解题思维]解答本题的思维流程如下:提取关键点(1)有利于提高反应速率;(2)有利于提高平衡转化率;(3)需要不断分离出氨的原因转化知识点(1)化学反应进行方向的判断;(2)影响化学反应速率和影响化学平衡的因素;(3)催化剂活性与温度的关系排除障碍点解决化学反应的调控问题时,应从速率和平衡两个角度综合考虑影响因素【解析】(1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1ΔS=-200J·K-1·mol-1,则ΔG=ΔH-TΔS=(-92.4+0.2×298)kJ∙mol-1=-32.8kJ∙mol-1<0,所以合成氨反应在常温下能自发进行。(2)温度越高,反应速率越快,所以高温有利于提高反应速率;因为正反应为放热反应,所以低温有利于提高平衡转化率。(3)a.因为正反应为放热反应,所以低温有利于平衡正向移动,氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率,a正确;b.温度升高,反应速率加快,所以N≡N在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率,b正确;c.合成氨反应的正反应为放热反应,“热Fe”高于体系温度,不利于提高氨的平衡产率,c不正确;d.温度升高,可提高合成氨反应的速率,所以“冷Ti”低于体系温度,不利于提高合成氨反应速率,d不正确。(4)a.从图中可以看出,300℃时,复合催化剂比单一催化剂的反应速率快,催化效率更高,a正确;b.催化剂只能改变反应速率,不能改变平衡产率,所以同温同压下,复合催化剂不能提高氨的平衡产率,b不正确;c.虽然图中显示温度高反应速率快,但温度高到一定程度后,复合催化剂活性就可能不变或变低,c不正确。(5)选择实验1和3进行分析,此时v1v3=pγ(0.1p)γ=110,则γ=-1;a.在合成氨过程中,需要不断分离出氨,有利于平衡正向移动,a正确;b.氨是在该催化剂的催化作用下生成答案:(1)能(2)高低(3)ab(4)a(5)-1a【对点演练】1.贮氢技术是氢气作燃料的一大难题。有报道称镧(La)-镍(Ni)合金材料LaNi5有较大贮氢容量,其原理为LaNi5(s)+3H2(g)LaNi5H6(s)ΔH=-31.8kJ·mol-1。下列条件有利于该合金贮氢的是()A.高温、低压B.低温、高压C.高温、高压D.低温、低压【解析】选B。LaNi5(s)+3H2(g)LaNi5H6(s)反应放热,故降低温度有利于平衡正向移动;该反应为气体体积减少的可逆反应,故增大压强平衡正向移动。2.(2023·辽宁选择考节选)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO4·5H2O)取精华法”。借助现代仪器分析,该制备过程中CuSO4·5H2O分解的TG曲线(热重)及DSC曲线(反映体系热量变化情况,数值已省略)如下图所示。700℃左右有两个吸热峰,则此时分解生成的氧化物有SO2、____________和____________(填化学式)。

(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下),副产物为亚硝基硫酸,主要反应如下:NO2+SO2+H2O===NO+H2SO42NO+O2===2NO2(ⅰ)上述过程中NO2的作用为____________。

(ⅱ)为了适应化工生产的需求,铅室法最终被接触法所代替,其主要原因是______________________(答出两点即可)。

(3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:SO2(g)+12O2(g)SO3(g)ΔH=-98.9kJ·mol-1(ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示,下列说法正确的是____________。

a.温度越高,反应速率越大b.α=0.88的曲线代表平衡转化率c.α越大,反应速率最大值对应温度越低d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度(ⅱ)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如图所示,催化性能最佳的是________(填标号)。

【解析】(1)根据图示的热重曲线所示,在700℃左右会出现两个吸热峰,说明此时CuSO4发生热分解反应,从TG图像可以看出,质量减少量为CuSO4质量的一半,说明有固体CuO剩余,还有其他气体产生,此时气体产物为SO2、SO3、O2,可能出现的化学方程式为3CuSO43CuO+2SO2↑+SO3↑+O2↑,结合反应中产物的固体产物质量和气体产物质量可以确定,该反应的产物为CuO、SO2、SO3、O2,故答案为CuO、SO3。(2)(ⅰ)根据所给的反应方程式,NO2在反应过程中先消耗再生成,说明NO2在反应中起催化剂的作用。(ⅱ)铅室法在反应中有污染空气的NO和NO2放出,影响空气环境、同时作为催化剂的NO2可以溶解在硫酸中给产物硫酸带来杂质影响产品质量、产率不高(答案合理即可)。(3)(ⅰ)根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出,随着温度的升高反应速率先加快后减慢,a错误;从图中所给出的速率曲线可以看出,相同温度下,转化率越低反应速率越快,但在转化率小于88%时的反应速率图像并没有给出,无法判断α=0.88的条件下是平衡转化率,b错误;从图像可以看出随着转化率的增大,最大反应速率不断减小,最大反应速率出现的温度也逐渐降低,c正确;从图像可以看出随着转化率的增大,最大反应速率出现的温度也逐渐降低,这时可以根据不同转化率选择合适的反应温度以减少能源的消耗,d正确。(ⅱ)为了提高催化剂的综合性能,科学家对催化剂进行了改良,从图中可以看出标号为d的催化剂V-K-Cs-Ce对SO2的转化率最好,产率最佳,故答案选d。答案:(1)CuOSO3(2)(ⅰ)催化剂(ⅱ)反应中有污染空气的NO和NO2放出,影响空气环境、NO2可以溶解在硫酸中给产物硫酸带来杂质、产率不高(答案合理即可)(3)(ⅰ)cd(ⅱ)d【课堂检测·诊断学习效果】1.合成氨工业采用循环操作,主要为了()A.降低氨的沸点B.增大化学反应速率C.提高氮气和氢气的利用率D.提高平衡混合物中氨的含量【解析】选C。A.沸点是物质的物理性质,是不会降低的,故A错误;B.增大浓度、升高温度,增大压强等才能增大化学反应速率,故B错误;C.氮气和氢气的循环使用,目的就是提高氮气和氢气的利用率,故C正确;D.循环操作可以提高氮气和氢气的使用效率,故D错误。【补偿训练】在下列合成氨事实中N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0,不能用勒夏特列原理解释的是()①使用铁作催化剂有利于合成氨的反应②在高温下反应,更有利于合成氨的反应③增大体系的压强,可以提高氨的产量④在合成氨中要不断补充N2、H2的混合气A.①③ B.②④ C.①② D.③④【解析】选C。①催化剂能改变化学反应速率,但不能改变平衡,故不能用勒夏特列原理解释,正确;②该反应的正反应是放热反应,温度升高,平衡逆向移动,不利于合成氨的反应,但