新教材2025版高中化学第二章化学反应速率与化学平衡第四节化学反应的调控学生用书新人教版选择性必修1

第四节化学反应的调控课程目标1．相识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学探讨中的重要作用。2．以工业合成氨为例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反应和化工生产条件综合分析。3．知道催化剂可以变更反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。图说考点必备基础——自学·尝试[新知预习]一、合成氨反应的特点1．合成氨反应的特点(1)反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。(2)特点①________热反应(ΔH________0)；②熵________的反应(ΔS________0)，即反应过程中气体分子总数________的反应；③可逆反应。2．理论分析依据合成氨反应的特点，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，应选择的反应条件如表所示：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______反应物浓度______温度______压强______催化剂提高平衡混合物中氨的含量______反应物浓度______温度______压强—二、条件选择1．压强(1)理论分析：合成氨时，压强越大越好，但是压强越大，对________和________要求也越高，须要的动力也________，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。(2)实际选择：我国的合成氨厂一般采纳的压强为________MPa。2．温度(1)理论分析：依据平衡移动原理，合成氨应当采纳低温以提高平衡转化率。试验数据也说明白这一点(如图)。但是，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。(2)实际选择：在实际生产中一般采纳的温度为________℃。3．催化剂(1)目前，合成氨工业中普遍运用的催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂)。(2)催化原理：变更反应历程，________反应的活化能，如图所示：(3)铁触媒在500℃左右时的________最大，这也是合成氨反应一般选择400～500℃进行的重要缘由。[即学即练]1．推断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)合成氨反应放热，因此温度应尽可能低。()(2)将氨气液化分别移走，可提高合成氨转化率。()(3)运用铁触媒作催化剂既可提高合成氨的反应速率，又可提高氨气的产率。()(4)合成氨反应一般选择400～500℃进行的重要缘由之一为该温度下催化剂活性好。()2．下列有关以H2和N2为原料气的工业合成氨反应的说法不正确的是()A．属于放热反应B．ΔS>0C．属于可逆反应D．在恒容容器中反应，压强渐渐减小3．已知298K时，合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，将此温度下的1molN2和3molH2放在一密闭容器中，在催化剂存在条件下进行反应，测得反应放出的热量(忽视能量损失)()A．肯定大于92.4kJB．肯定等于92.4kJC．肯定小于92.4kJD．不能确定4．工业合成氨中，下列措施有利于提高平衡转化率的是()A．上升温度B．从体系中分别出氨C．运用催化剂D．恒温恒容下，充入稀有气体5．下表所列试验数据是在不同温度和压强下达到平衡状态时，混合物中NH3的含量(体积分数)的变更状况[投料比V(N2)∶V(H2)＝1∶3]。压强/MPaNH3的含量/%温度/℃0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4(1)比较200℃和300℃时的数据，可推断出上升温度，平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，合成氨的正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。(2)依据平衡移动原理，合成氨的相宜条件是________(填序号)。A．高温、高压B．高温、低压C．低温、高压D．低温、低压(3)500℃、30MPa时，N2的转化率为________。(4)工业上实际生产氨时，考虑到浓度对化学平衡及反应速率的影响，常实行的措施有：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。核心素养——探究·共享提升点工业生产的条件选择及解析例哈伯独创用氮气和氢气合成氨的方法，获得了1918年诺贝尔化学奖。其原理为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH<0，ΔS________(填“>”“<”或“＝”)0。(1)下列关于工业合成氨的说法不正确的是________(填标号)。A．因为ΔH<0，所以该反应肯定能自发进行B．采纳高压是为了增大反应速率，但会使反应物的转化率降低C．在高温下进行是为了提高反应物的转化率D．运用催化剂增大反应速率是因为催化剂降低了反应的活化能(2)在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是________(填标号)。a．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2b．3v正(N2)＝v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)工业上合成氨的部分工艺流程如图：请用平衡移动原理说明在工艺流程中刚好分别出氨气和将NH3分别后的原料气循环运用的缘由________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)某科研小组探讨在其他条件不变的状况下，变更起始时氢气的物质的量对工业合成氨反应的影响。试验结果如图所示(图中T表示温度，n表示H2的物质的量)。①图中T2和T1的关系：T2________(填“>”“<”或“＝”)T1。②a、b、c、d四点所处的平衡状态中，N2的转化率最高的是________(填字母)。(5)恒温下，向一个4L的密闭容器中充入5.2molH2和2molN2，反应过程中对NH时间/min51015202530c(NH3)/(mol·L－1)0.080.140.180.200.200.20①此条件下该反应的化学平衡常数K＝________。②若维持容器容积不变，温度不变，向原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4mol，化学平衡将向________(填“正”或“逆”)反应方向移动。(6)已知：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1N2(g)＋O2(g)=2NO(g)ΔH＝＋181kJ·mol－12H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝－483.6kJ·mol－1写出氨气催化氧化生成NO和水蒸气的热化学方程式________________________________________________________________________。状元随笔[提升]工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。不同压强和温度下，反应达到平衡时，SO2的转化率如表所示(原料气各成分的体积分数为SO2：7%O2：11%N2：82%)。压强/MPa转化率/%温度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(1)SO2的氧化反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。(2)依据表中信息，你认为工业上将SO2转化为SO3的相宜条件是________。(3)选择相宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？________(填“是”或“否”)。(4)若保持温度和容积不变，平衡后通入氧气，再达平衡时则SO2的浓度________(填“增大”或“减小”)。(5)若保持温度和压强不变，平衡后通入He，SO3的含量________(填“增大”或“减小”)。关键实力工业生产中化学反应条件的优化1．化学反应条件选择的基本原则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)既要留意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一样性，又要留意对二者影响的冲突性。(2)既要留意温度、催化剂对化学反应速率影响的一样性，又要留意催化剂的活性对温度的要求。(3)既要留意理论上的须要，又要考虑实际生产(如设备条件、平安操作、经济成本等)的可能性。2．化学反应条件优化的基本思路(1)从可逆性、反应前后气体体积的变更、焓变、反应的方向四个角度分析反应的特点。(2)依据反应特点详细分析外界条件对化学反应速率和反应限度的影响；从化学反应速率和反应限度的角度综合分析，再充分考虑实际状况，选择相宜的外界条件。(3)工业生产中化学反应条件优化的理论依据外界条件有利于使反应速率增大的条件的限制有利于平衡移动的条件的限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补充反应物、刚好分别诞生成物催化剂加合适的催化剂无影响加合适的催化剂温度高温ΔH<0低温兼顾化学反应速率和化学平衡，考虑催化剂的相宜温度ΔH>0高温兼顾实际生产条件，考虑催化剂的相宜温度压强高压(有气体参与)气体分子数减小的反应高压在设备条件允许的前提下，尽量实行高压气体分子数增大的反应低压兼顾化学反应速率和化学平衡素养形成——自测·自评1.工业上合成氨一般采纳500℃左右的温度，其缘由是()①适当增大NH3的合成速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在500℃左右活性最大A．①B．①③C．①④D．②③④2．合成氨时既要提高氨的产率，又要增大反应速率，可实行的方法是()①减压②加压③升温④降温⑤刚好从平衡混合物中分别出NH3⑥充入N2或H2⑦加催化剂⑧减小N2或H2的物质的量A．③④⑤⑦B．①②⑤⑥C．②⑥D．②③⑥⑦3．CO和NO都是汽车尾气中的有害物质，它们之间能缓慢发生反应：2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g)ΔH<0，现利用此反应，拟设计一种环保装置，用来消退汽车尾气对大气的污染，下列设计方案可以提高尾气处理效果的是()①选用合适的催化剂②提高装置温度③降低装置的压强④向装置中放入碱石灰A．①③B．②④C．①④D．②③4．如图所示为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是()A.步骤①中“净化”可以防止催化剂“中毒”B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率C．步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率D．液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂5．氢能是一种极具发展潜力的清洁能源，CH4­H2O催化重整是目前大规模制取氢气的重要方法。(1)CH4­H2O催化重整：反应Ⅰ：CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)ΔH1＝＋210kJ·mol－1反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41kJ·mol－1①提高CH4的平衡转化率的条件是________(填字母)。a．增大压强b．加入催化剂c．增大水蒸气浓度②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的热化学方程式是________________________________________________________________________。③在密闭容器中，将2.0molCO与8.0molH2O混合加热到800℃发生反应Ⅱ，达到平衡时CO的转化率是80%，其平衡常数为________。(2)试验发觉，其他条件不变，相同时间内，向催化重整体系中投入肯定量的CaO可以明显提高H2的百分含量。做对比试验，结果如图所示：①投入CaO时，H2百分含量增大的缘由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②投入纳米CaO时，H2百分含量比加入微米CaO时增大的缘由是________________________________________________________________________。(3)反应中催化剂活性会因积炭反应而降低，相关数据如下表：反应ⅠⅡCH4(g)C(s)＋2H2(g)2CO(g)C(s)＋CO2(g)ΔH(kJ·mol－1)＋75－173①探讨发觉，假如反应Ⅰ不发生积炭过程，则反应Ⅱ也不会发生积炭过程。因此，若保持催化剂的活性，应实行的条件是________________________________________________________________________。②假如Ⅰ、Ⅱ均发生了积炭反应，通入过量水蒸气能有效清除积炭，反应的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。第四节化学反应的调控必备基础新知预习一、1．(2)放<减小<减小2．增大上升增大运用增大降低增大二、1．(1)材料的强度设备的制造越大(2)10～302．(2)400～5003．(2)降低(3)活性即学即练1．(1)×(2)√(3)×(4)√2．解析：工业合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝-92.4kJ·mol-1，该反应为放热反应，A项正确；该反应为气体分子数减小的反应，则ΔS<0，B项错误；H2和N答案：B3．解析：由合成氨的热化学方程式可知，1molN2和3molH2完全反应，放出92.4kJ热量，而合成氨反应为可逆反应，故1molN2和3molH2不行能完全反应，则达到平衡时，放出的热量小于92.4kJ，C项正确。答案：C4．解析：合成氨反应的ΔH<0，升温，平衡向NH3分解的方向移动，平衡转化率减小，A项不符合要求；从体系中分别出氨，可降低混合气体中NH3的含量，从而使平衡向生成NH3的方向移动，平衡转化率增大，B项符合要求；运用催化剂只能增大合成氨的反应速率，不能改变更学平衡，平衡转化率不变，C项不符合要求；恒温恒容下，充入稀有气体，不能变更反应体系中H2、N2、NH3的浓度，平衡不移动，则平衡转化率不变，D项不符合要求。答案：B5．解析：(1)表中数据表明：恒压时，上升温度，NH3的含量减小，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH<0知，合成氨的相宜条件是低温、高压，在低温、高压的条件下平衡向右移动，反应物的转化率增大。(3)假设N2的用量为1mol,H2的用量为3mol，N2的消耗量为xmol，则：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)初始量/mol130转化量/molx3x2x平衡量/mol1－x3－3x2x平衡时NH3的含量为2x2x+1-x+3-(4)增大反应物浓度或降低生成物浓度均有利于平衡向正反应方向移动。答案：(1)逆反应放热(2)C(3)41.77%(4)加入过量N2(或H2)(或刚好从平衡体系中移走NH3)核心素养例解析：合成氨反应为气体分子数减小的反应，故为熵减反应，即ΔS<0。(1)由ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，该反应需在肯定温度下才能自发进行，A项错误；该反应为气体分子数减小的反应，因此高压可提高反应物的转化率，B项错误；该反应的ΔH<0，升温使平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C项错误；催化剂可变更反应历程，降低反应活化能，D项正确。(2)a项，容器中N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2是反应可能达到的一个特别状态，与该反应是否达到平衡状态无关；b项，由化学方程式可知，v(H2)＝3v(N2)，则由3v正(N2)＝v逆(H2)可知，v正(H2)＝v逆(H2)，说明该反应达到平衡状态；c项，该反应达到平衡前，压强渐渐减小，则容器内压强保持不变说明该反应达到平衡状态；d项，恒容容器，容积不变，容器内混合气体的质量不变，则混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度保持不变不能作为该反应达到平衡的标记。(3)刚好分别出氨气，可减小生成物的浓度，从而可使平衡正向移动，提高产率，将NH3分别后的原料气循环利用可提高原料的利用率。(4)①达到平衡时，T2时NH3的体积分数大于T1时NH3的体积分数，则T2<T1。②增大H2的物质的量，可提高N2的转化率，则c点的N2转化率最高。(5)①由表中数据可知，达到平衡时，c(NH3)＝0.20mol·L－l，则：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)起始量/mol25.20转化量/mol0.41.20.8平衡量/moll．64.00.8平衡浓度/(mol·L－1)0.41.00.2平衡常数K＝0.22②向原平衡体系中加入4molN2、4molH2、4molNH3，则c(N2)＝1.6mol+4mol4L＝1.4mol·L－1，c(H2)＝4mol+4mol4L＝2mol·L－1，c(NH3)＝0.8mol+4mol4L＝1.2mol·L－1，Qc＝c2NH3cN2·c3H2≈0.13>K，故化学平衡逆向移动。(6)已知的3个反应，从上至下依次标记为①、②、③，依据盖斯定律，由②×2＋③×3－①×2得4NH3(g)＋5O2(g)答案：<(1)ABC(2)bc(3)减小生成物的浓度，可使平衡正向移动，提高产率；将NH3分别后的原料气循环利用可提高原料的利用率(4)①<②c(5)①0.1②逆(6)4NH3(g)＋5O2(g)=4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＝－904kJ·mol－1提升解析：(1)由表中数据可知，压强肯定时，上升温度，SO2的平衡转化率降低，说明上升温度，平衡逆向移动，因此二氧化硫的氧化反应是放热反应；(2)400～500℃时，SO2的转化率都比较高，适当上升温度虽然会牺牲一些SO2的转化率，但是可以显著增大反应速率；压强越大，SO2的转化率越高，但是10MPa对生产设备的要求较高，生产成本也会增大，产生的额外收益却不高，因此选1MPa即可；(3)催化剂不变更平衡移动，因此不能提高SO2的转化率；(4)通入氧气相当于提高反应物的浓度，平衡正向移动，因此二氧化硫的浓度减小；(5)保持压强不变充入氦气，容器的容积增大，各气体的浓度减小，平衡向气体分子数增大的方向移动，即逆向移动，因此三氧化硫的含量减小。答案：(1)放热(2)1MPa、400～500℃(3)否(4)减小(5)减小素养形成1．解析：温度较高，化学反应速率较快，①正确；工业合成氨的反应为放热反应，则上升温度时，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，NH3的产率降低，②、③错误；催化剂活性受温度影响较大，工业合成氨普遍运用铁触媒作为催化剂，它在500℃左右时的活性最大，④正确，故C项正确。答案：C2．解析：增大压强、降低温度、刚好从平衡混合物中分别出NH3、充入N2或H2均能提高氨的产率；增大压强、上升温度、充入N2或H2加催化剂均能增大反应速率，故②⑥符合题意，即C项正确。答案：C3．解析：选用合适的催化剂虽不能提高反应物的平衡转化率，但能增大反应速率；因为该反应的正反应为放热反应，所以上升温度，平衡向逆反应方向移动；该反应的正反应为气体分子数减小的反应，因此降低压强，能使平衡向逆反应方向移动；向装置中放入碱石灰能汲取CO2，使CO2的浓度降低，平衡向正反应方向移动。综上可知，C项符合题意。答案：C4．解析：步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应