高中 化学 选择性必修1 第二章 化学反应速率与化学平衡《第四节 化学反应的调控》教学设计

第四节化学反应的调控[课程标准]1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。2.知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。3.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。4.以工业合成氨为例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。任务一合成氨反应的原理分析德国化学家哈伯(F.Haber)因发明用氮气和氢气合成氨的方法获得1918年诺贝尔化学奖。合成氨技术是人类科学技术领域的重大突破，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，合成氨反应为N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3。(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，减少生成物浓度降低温度增大压强—(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/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4由上表数据分析可知：①温度升高，氨的含量降低；这与速率是相矛盾的；②压强增大，氨的含量增大；这与速率是相一致的。1.判断正误，错误的说明其原因。(1)工业合成氨的反应是放热反应，任何温度下都能自发进行。________________________________________________________________________答案：错误，工业合成氨的反应是放热、熵减的反应，它是低温自发。(2)1molN2与足量的H2在一定条件下合成氨，充分反应后能得到2mol氨气。________________________________________________________________________答案：错误，合成氨的反应是可逆反应，不可能进行到底。(3)工业合成氨中，温度越高，压强越大越有利于氨的合成。________________________________________________________________________答案：错误，合成氨的反应是放热反应，温度升高不利于氨的合成。(4)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率。________________________________________________________________________答案：错误，催化剂不影响转化率。2.在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(△))2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－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)任务二工业合成氨的适宜条件合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。请讨论探究下列问题。1.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？提示：不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料和设备的制造要求越高，一般采用的压强为10～30MPa。2.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？提示：不是。因为从化学平衡的角度考虑，合成氨在低温时有利于平衡向生成氨的方向移动，但是温度过低时反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，一般采用的温度为400～500℃。3.工业合成氨主要考虑哪些因素？提示：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。4.怎样提高N2、H2的利用率？提示：将未化合的N2、H2循环使用。1.压强(1)理论分析知，合成氨时压强越大越好。压强越大，对材料和设备要求越高，需要的动力越大，将会降低综合经济效益等。(2)目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。2.温度(1)若要提高平衡转化率，合成氨应该采用低温。温度降低，化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，经济效益下降。(2)在合成氨生产中，一般采用的温度为400～500℃。3.催化剂合成氨生产中普遍使用铁触媒作催化剂，在500℃左右时活性最大。为防止催化剂中毒，原料气必须经过净化。4.浓度(1)采取迅速冷却的方法，使气态变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使平衡向生成氨的方向移动。(2)将分离NH3后的原料气进行循环利用；并及时补充N2和H2，以利于合成氨反应。1.判断正误，错误的说明其原因。(1)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率。________________________________________________________________________答案：正确。(2)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保。________________________________________________________________________答案：错误，任何工业生产都要考虑环保。(3)合成氨工业温度选择500℃左右，主要是为了提高NH3的产率。________________________________________________________________________答案：错误，合成氨反应选择在500℃进行的重要原因是催化剂在500℃左右时的活性最大。2.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500℃时催化剂效果最好)，下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。温度/℃平衡时SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)在实际生产中，选定的温度为400～500℃，原因是__________________________________________________________________________________________________。(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是________________________________________________________________________________________________________。(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是___________________________________________________________________________________________________________。(5)尾气中SO2必须回收，原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________。答案：(1)450℃、10MPa(2)在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本(4)增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率(5)防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)化学反应的调控练后归纳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。1.工业生产氨气的适宜条件中不包括()A.用浓硫酸吸收产物 B.用铁触媒作催化剂C.温度为400～500℃ D.压强为10～30MPa答案：A解析：工业生产中，要求反应速率快，转化率高，从反应速率方面考虑应选择高效催化剂、升高温度，从转化率方面考虑应选择较高的压强，所以B、C、D都是工业生产氨气的适宜条件。2.1913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.①②③ B.②④⑤C.①③⑤ D.②③④答案：B解析：②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。3.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。4.合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气体中的CO，其反应是[Cu(NH3)]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)2]Ac·COΔH＜0。(1)必须除去原料气中CO的原因为__________________________________________________________________________________________________________________。(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收CO的生产适宜条件应是___________________________________________________________________________________________________。(3)吸收CO后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是____________________________________________________________________________________________________。答案：(1)防止合成塔中的催化剂中毒(2)低温、高压(3)高温、低压解析：(1)用氢气和氮气合成氨气，需要在高温、高压、催化剂条件下进行，而CO在反应体系中的影响就是针对催化剂，如果不除去的话，会造成催化剂中毒；(2)要使生产适宜，即控制条件让反应正向移动，该反应为放热反应，且化学计量数之和减少，故低温、高压使平衡正向移动，该反应为放热反应，且化学计量数之和减少，故低温、高压使平衡正向移动，即适宜条件为低温、高压；(3)要实现醋酸二氨合铜溶液再生，即使平衡逆向移动，该反应为放热反应，且化学计量数之和减少，故高温、低压使平衡逆向移动，即适宜条件为高温、低压。课时测评12化学反应的调控(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)题点一合成氨条件的选择1.(2023·江苏苏州高二校考期中)下列有关合成氨工业的说法正确的是()A.N2、H2的投料比采用1∶2.8(物质的量比)而不是1∶3，是为了提高N2的转化率B.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C.压强采用10～30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好D.不断将氨液化并移去液氨，目的之一是使平衡正向移动答案：D解析：适当提高氮气的比例，即N2和H2物质的量之比为1∶2.8时更能提高H2的转化率，A错误；氮气和氢气反应生成氨气的过程是放热的，反应温度控制在700K左右，目的是加快反应速率，并不是使化学平衡向正反应方向移动，B错误；压强对催化剂活性一般无明显影响，氮气和氢气反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，合成氨工业采用10～30MPa，是因为再增大压强，平衡转化率不会提高太多，且增大压强对设备的要求更高，不能达到更好的经济效益，C错误；不断将氨液化并移去液氨，目的是降低氨气的浓度，使平衡正向移动，D正确；故选D。2.(2023·江苏南通高二统考期末)工业上通常采用铁触媒、在400～500℃和10～30MPa的条件下合成氨。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。下列说法正确的是()A.N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的ΔS>0B.采用400～500℃的高温是有利于提高平衡转化率C.采用10～30MPa的高压能增大反应的平衡常数D.使用铁触媒可以降低反应的活化能答案：D解析：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)正反应气体分子总数减小，ΔS＜0，A错误；采用400～500℃的高温是有利于提高催化剂活性、提高反应速率，正反应是放热反应，升温平衡左移、平衡转化率减小，B错误；采用10～30MPa的高压能增大反应速率、能使平衡右移，但平衡常数只受温度影响，故增压不影响平衡常数，C错误；使用铁触媒可以降低反应的活化能、加快反应速率，D正确；答案选D。3.下列有关合成氨工业的说法正确的是()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，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。题点二以合成氨为背景的综合题4.在固定容积的密闭容器中，进行如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，其化学平衡常数K与温度的关系如下表。下列说法正确的是()温度(℃)25125225…平衡常数4.1×106K1K2…A.2v正(H2)＝3v逆(NH3)能说明反应已达平衡B.平衡常数K1<K2C.混合气体的平均摩尔质量不再改变不能说明反应已达平衡D.为提高反应速率和平衡转化率，工业生产时通常选择400～500℃、10～30MPa的反应条件答案：A解析：用不同物质的反应速率判断达到平衡，要求反应方向是一正一逆，且反应速率之比等于化学计量数之比，即eq\f(v正(H2),v逆(NH3))＝eq\f(3,2)，因此2v正(H2)＝3v逆(NH3)能说明反应达到平衡，故A正确；化学平衡常数只与温度有关，该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向进行，平衡常数减小，即平衡常数K1＞K2，故B错误；组分都是气体，混合气体总质量始终不变，该反应为气体物质的量减小的反应，因此混合气体的平均摩尔质量不变，说明反应达到平衡，故C错误；实际工业生产通常选择400～500℃是为了使催化剂活性最大，加快反应速率，该反应为气体物质的量减少的反应，压强越大，有利于反应正向移动，但对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益，因此目前压强选择10～30MPa，故D错误；答案为A。5.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是()A.将1mol氮气、3mol氢气置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJB.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B)C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大D.升高温度，平衡常数K增大答案：C解析：ΔH＝－92.4kJ·mol－1指按该方程式系数(1molN2，3molH2)完全反应到底会释放92.4kJ的热量，该反应为可逆反应，加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；ΔH＜0升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。6.相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分别进行合成氨反应。下列叙述错误的是()A.化学反应速率：乙>甲B.平衡后N2的浓度：乙>甲C.H2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：因为甲乙容器体积相同，乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故乙中浓度高，速率快，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)，则甲、乙容器中各物质浓度体积分数、平衡转化率均相同，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。题点三化学反应的调控7.据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是()A.使用Cu-Zn-Fe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：B8.工业上制备硫酸的一步重要反应是SO2在400～500℃下的催化氧化反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH<0。下列有关说法错误的是()A.常通入过量的空气，以提高SO2的平衡转化率B.为提高反应速率和平衡转化率，采用的压强越大越好C.控制温度为400～500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件答案：B解析：通入过量的空气，可以增大氧气的量，促使平衡正向移动，可以提高二氧化硫的转化率，A正确；在二氧化硫的催化氧化中，常压下二氧化硫的转化率已经很高，增大压强会增加成本，B错误；选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400～500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这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，C正确；要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确；故选B。9.CH4-CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于缓解温室效应，其主要反应为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)ΔH＝＋247kJ·mol－1，同时存在以下反应：CH4(g)C(s)＋2H2(g)ΔH＝＋75kJ·mol－1(积碳反应),CO2(g)＋C(s)2CO(g)ΔH＝＋172kJ·mol－1(消碳反应)，假设体系温度恒定。积碳反应会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是()A.高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳B.增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳C.升高温度，积碳反应的化学平衡常数K1减小，消碳反应的化学平衡常数K2增大D.温度高于600℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少答案：B解析：反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)和CH4(g)C(s)＋2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应，增大压强，平衡均逆向移动，可减少积碳量，但CH4的平衡转化率降低，A项错误；假设CH4的物质的量不变，增大CO2的物质的量，CO2与CH4的物质的量之比增大，对于反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，平衡正向移动，CH4的浓度减小，对于积碳反应CH4(g)C(s)＋2H2(g)，由于甲烷浓度减小，平衡逆向移动，碳含量减少，对于消碳反应CO2(g)＋C(s)2CO(g)，平衡正向移动，碳含量也减少，综上分析，增大CO2与CH4的物质的量之比，有助于减少积碳，B项正确；平衡常数只与温度有关，积碳反应和消碳反应都是吸热反应，升高温度，平衡均正向移动，两个反应的平衡常数都增大，C项错误；根据图像，温度高于600℃，积碳量减少，但温度升高，体系中所有反应的反应速率都加快，温度高于600℃后，积碳量之所以减少，是因为消碳反应速率的增加程度大于积碳反应速率的增加程度，D项错误。10.工业制取硫酸最重要的一步反应为2SO2(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(△))2SO3(g)ΔH<0。(1)研究温度对SO2的平衡转化率和对催化剂催化效率的影响，结果如甲图所示。在实际生产中，SO2催化氧化反应的条件选择450℃左右(对应图中M点),而没有选择SO2转化率更高的O或N点对应的反应条件，其原因分别是_________________________________________________________________________________________________________________。(2)在实际生产中，SO2催化氧化反应的条件选择常压、450℃左右(对应乙图中A点)，而没有选择SO2转化率更高的B或C点对应的反应条件，其原因分别是_______________________________________________________________________________________________________。答案：(1)不选择O点原因是在O点时，温度低，速率慢，且催化剂的催化效率较低，速率更慢；不选择N点原因是在N点时，催化剂催化效率低于M点，反应时SO2的平衡转化率也低于M点，且高温也增大能量消耗(2)不选择B点，因为压强越大对设备的投资大，消耗的动能大，SO2原料的转化率已是97%左右，再提高压强，SO2的转化率提高的余地很小，所以采用1个大气压；不选择C点，因为温度越低，SO2转化率虽然更高，但催化作用受影响，450℃时，催化剂的催化效率最高，故不选C点13.近年来我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展。回答下列问题：(1)已知：CO2(g)＋H2(g)H2O(g)＋CO(g)ΔH1＝＋41.1kJ·mol－1CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH2＝－90.0kJ·mol－1写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式：________________________________________。(2)为提高CH3OH(g)的产率，理论上应采用的条件是________(填字母)。a.高温高压 b.低温低压c.高温低压 d.低温高压(3)250℃时，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，