化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控(原卷版)

2.4化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控學(xué)習(xí)目標重難點1．了解合成氨反應(yīng)的特點以及外部條件對合成氨反應(yīng)的影響。2．了解合成氨生產(chǎn)的主要流程。3．了解工業(yè)生產(chǎn)條件選擇的依據(jù)和原則。4．知道化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。重點：利用所學(xué)的化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論解釋合成氨中的相關(guān)問題。難點：化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控。知識01合成氨反應(yīng)特點1．合成氨反應(yīng)的原理分析工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項重大突破，其反應(yīng)如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？填入下表。對合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率________________________________提高平衡混合物中氨的含量________________________________2．合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析下表的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時氮氣和氫氣的體積比是1：3)。溫度/℃氨的含量/%10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa200300400500600(1)溫度升高，氨的含量________；這與速率是________的；(2)壓強增大，氨的含量________；這與速率是________的。3．合成氨反應(yīng)的條件調(diào)控工業(yè)合成氨的適宜條件壓強________________溫度________________催化劑________________濃度N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶的投料比，氨及時從混合氣中分離出去1．反應(yīng)速率2．反應(yīng)轉(zhuǎn)化率3．合成氨的適宜條件反應(yīng)條件壓強溫度催化劑濃度1.3×107~3×107Pa500℃

左右鐵觸媒使氣態(tài)NH3變成液態(tài)NH3并及時從平衡混合物中分離出去，及時補充N2和H21．合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知：298K時，ΔH=-92.4kJ·mol-1，ΔS=-198.2J·K-1·mol-1；合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.1×106。請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行。答：2．請你利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。答：3．增大壓強既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好?為什么?答：4．既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好?為什么?答：5．工業(yè)合成氨主要考慮哪些因素?答：6．合成氨的適宜條件有哪些？序號影響因素選擇條件1溫度2物質(zhì)的量3壓強4催化劑答：7．如何選擇合成氨的適宜條件？答：8．怎樣提高N2、H2的利用率?答：判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。(1)在反應(yīng)N2+3H2=2NH3中，3v(H2)=2v(NH3)()(2)合成氨反應(yīng)中，5s末v(N2)=0.5mol·L-1·s-1時，v(NH3)=1mol·L-1·s-1()(3)合成氨反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進行()(4)已達平衡的反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，當增大N2的濃度時，平衡向正反應(yīng)方向移動，N2的轉(zhuǎn)化率一定升高()(5)鐵作催化劑可加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動()(6)將氨從混合氣中分離，可加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動()(7)升高溫度可以加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動()(8)增大壓強可加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動()知識02化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控1．影響化學(xué)反應(yīng)進行的因素參加反應(yīng)的物質(zhì)的________、________、________、________、________、________、________等外界條件。2．化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控(1)含義：通過改變外界條件使一個可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進行；(2)考慮因素：考慮設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟成本等；分析影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找合適的生產(chǎn)條件；根據(jù)環(huán)境保護及社會效益等方面的規(guī)定和要求。分析角度原則要求本身因素參加反應(yīng)的物質(zhì)________、________和________從化學(xué)反應(yīng)速率分析既不能過快，又不能太慢從化學(xué)平衡移動分析既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性從原料的利用率分析增加易得廉價原料，提高難得高價原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本從實際生產(chǎn)能力分析如設(shè)備承受高溫、高壓能力等從催化劑的使用活性分析注意________對催化劑的活性的限制從主、副反應(yīng)選擇性分析促進主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)，提高主反應(yīng)的選擇性社會效益注意環(huán)境保護，把握綠色化學(xué)原則，原料、工藝綠色、低耗根據(jù)反應(yīng)特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮實際情況，選出適宜的外界條件。外界條件有利于加快速率的條件控制有利于平衡正向移動的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物的濃度不斷地補充反應(yīng)物、及時地分離出生成物催化劑加合適的催化劑無加合適的催化劑溫度高溫ΔH＜0低溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度ΔH＞0高溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性壓強高壓(有氣體參加)Δνg＜0高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓Δνg＞0低壓兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-197.8kJ·mol-1是硫酸制造工業(yè)的基本反應(yīng)。在生產(chǎn)中通常采用通入過量空氣的方法，為什么?答：題型一合成氨反應(yīng)的特點【典例1】對于可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，下列說法中正確的是()A．達到平衡后充入N2，當重新達到平衡時，NH3的濃度比原平衡的大，N2的濃度比原平衡的小B．達到平衡后，升高溫度，既加快了正、逆反應(yīng)速率，又提高了NH3的產(chǎn)率C．達到平衡后，縮小容器體積，既有利于加快正、逆反應(yīng)速率，又有利于提高氫氣的轉(zhuǎn)化率D．加入催化劑可以縮短達到平衡的時間，是因為正反應(yīng)速率增大，而逆反應(yīng)速率減小【答案】C【解析】達到平衡后，充入N2，平衡向正反應(yīng)方向移動，達到新平衡后，NH3的濃度會增大，而N2的濃度不會減??；達到平衡后，升高溫度，正、逆反應(yīng)速率都增大，但平衡向逆反應(yīng)方向移動，不利于NH3的生成；達到平衡后，縮小容器體積即增大壓強，正、逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；加入催化劑，能同等程度地增大正、逆反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達到平衡的時間?！咀兪?】將等物質(zhì)的量的N2、H2充入某密閉容器中，在一定條件下，發(fā)生如下反應(yīng)并達到平衡：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。當改變某個條件并維持新條件直至新的平衡時，下表中關(guān)于新平衡與原平衡的比較正確的是()。改變條件新平衡與原平衡比較A壓縮體積N2的濃度一定變小B升高溫度N2的轉(zhuǎn)化率變小C充入一定量H2H2的轉(zhuǎn)化率不變，N2的轉(zhuǎn)化率變大D使用適當催化劑NH3的體積分數(shù)增大N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點：低溫、高壓有利于氨的合成。題型二合成氨反應(yīng)的調(diào)控【典例2】關(guān)于工業(yè)合成氨的敘述中，錯誤的是()A．在動力、設(shè)備、材料允許的情況下，反應(yīng)盡可能在高壓下進行B．溫度越高越有利于工業(yè)合成氨C．在工業(yè)合成氨中N2、H2的循環(huán)利用可提高其利用率，降低成本D．及時從反應(yīng)體系中分離出氨氣有利于平衡向正反應(yīng)方向移動【答案】B【解析】因為高壓利于合成氨反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，所以在條件允許下可以采取盡量高的壓強，現(xiàn)在一些發(fā)達國家已經(jīng)采用1000個大氣壓的高壓合成氨工藝，A正確;從反應(yīng)限度角度看，低溫有利于氨的合成，但為了兼顧反應(yīng)速率和催化劑的活性，采用了700K左右的溫度，B錯誤;合成氨反應(yīng)是可逆反應(yīng)，建立平衡后有較多的反應(yīng)物沒有轉(zhuǎn)化，應(yīng)該循環(huán)使用，C正確;反應(yīng)體系中分離出氨氣，相當于減小生成物濃度，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動，D正確?！咀兪?】下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中正確的是()A．從合成塔出來的混合氣體，其中NH3只占15%，所以生產(chǎn)氨的效率都很低B．由于氨易液化，N2、H2是循環(huán)使用的，總體來說氨的產(chǎn)率很高C．合成氨反應(yīng)溫度控制在400~500℃，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動D．合成氨采用的壓強是10~30MPa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最大合成氨的適宜條件序號影響因素選擇條件1溫度反應(yīng)溫度控制在400~500℃2物質(zhì)的量N2、H2投料之比為1∶33壓強10~30MPa4催化劑選擇以鐵為主體的多成分催化劑(鐵觸媒)題型三化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控【典例3】(2019年11月浙江選考)已知：2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)△H=-197.8kJ?mol—1。起始反應(yīng)物為SO2和O2(物質(zhì)的量之比為2：1，且總物質(zhì)的量不變)。SO2的平衡轉(zhuǎn)化率(%)隨溫度和壓強的變化如下表，下列說法不正確的是()溫度/K壓強/(105Pa)673723773A．一定壓強下降低溫度，SO2的轉(zhuǎn)化率增大B．在不同溫度、壓強下，轉(zhuǎn)化相同物質(zhì)的量的SO2所需要的時間相等C．使用催化劑可以縮短反應(yīng)達到平衡所需的時間D．工業(yè)生產(chǎn)通常不采取加壓措施是因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已相當高【答案】B【解析】A項，由表格數(shù)據(jù)及勒夏特列原理知，針對放熱反應(yīng)，一定壓強下降低溫度，平衡正向移動，反應(yīng)物SO2的轉(zhuǎn)化率增大，A正確；B項，由于在不同溫度、壓強下，化學(xué)反應(yīng)速率不一定相等，故轉(zhuǎn)化相同物質(zhì)的量的SO2所需要的時間不一定相等，B錯誤；C項，催化劑對化學(xué)平衡移動無影響，但可以縮短到達平衡所花的時間，C正確；D項，由圖中數(shù)據(jù)可知，不同溫度下，1.01×105Pa(常壓)下SO2的轉(zhuǎn)化率分別為99.2%，％，％，已經(jīng)相當高了，且加壓后轉(zhuǎn)化率升高并不明顯，所以沒有必要通過加壓提高轉(zhuǎn)化率，D正確。故選B?！咀兪?】某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng)：2X(g)+Y(g)2M(g)ΔH<0。下列有關(guān)該反應(yīng)的說法正確的是()A．工業(yè)上合成M時，一定采用高壓條件，因為高壓有利于M的生成B．若物質(zhì)Y價廉易得，工業(yè)上一般采用加入過量的Y的方法，以提高X和Y的轉(zhuǎn)化率C．工業(yè)上一般采用較高溫度合成M，因溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D．工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑，因為使用催化劑可提高M的日產(chǎn)量工業(yè)生產(chǎn)調(diào)控主要考慮因素化學(xué)反應(yīng)速率、原料的利用率、單位時間內(nèi)的產(chǎn)量、生產(chǎn)中的耗能、設(shè)備條件等因素?！净A(chǔ)鞏固】1．下列生活和生產(chǎn)中的做法或事實，與調(diào)控反應(yīng)速率無關(guān)的是()A．牛奶放在冰箱中冷藏B．使用加酶洗衣粉洗滌衣物C．汽車的橡膠輪胎中要添加抑制劑D．工業(yè)合成氨時，及時將氨氣液化分離2．不符合工業(yè)合成氨生產(chǎn)實際的是A．鐵觸媒作催化劑 B．N2、H2循環(huán)使用C．NH3液化分離 D．反應(yīng)在常壓下進行3．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列操作與平衡移動無關(guān)的是()A．不斷將氨分離出來B．使用催化劑C．采用500℃左右的高溫而不是700℃的高溫D．采用2×107～5×107Pa的壓強4．合成氨反應(yīng)中催化劑的作用是()A．使逆反應(yīng)不發(fā)生B．使平衡向正反應(yīng)方向移動C．加快正、逆反應(yīng)速率，縮短達到平衡的時間D．提高原料的轉(zhuǎn)化率5．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列操作與平衡移動無關(guān)的是()A．不斷將氨分離出來B．使用催化劑C．采用500℃左右的高溫而不是700℃的高溫D．采用2×107～5×107Pa的壓強6．已知可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，該反應(yīng)達到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是()A．升高溫度，減小壓強，增加氮氣B．降低溫度，增大壓強，加入催化劑C．升高溫度，增大壓強，增加氮氣D．降低溫度，增大壓強，分離出部分氨7．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來解釋的是A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)C．700K左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率8．在合成氨反應(yīng)中使用催化劑和增大壓強，下列敘述中正確的是()A．都能增大反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡無影響B(tài)．都對化學(xué)平衡有影響，但都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間C．都能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間，只有增大壓強對化學(xué)平衡有影響D．使用催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間，而增大壓強無此效果9．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中正確的是()A．鐵觸媒作催化劑可加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動B．升高溫度可以加快反應(yīng)速率，且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動C．增大壓強能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間D．合成氨采用的壓強是10~30MPa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最高10．化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控對于工業(yè)生產(chǎn)具有積極意義，下列關(guān)于調(diào)控措施的說法錯誤的是()A．硫酸工業(yè)中，為提高的轉(zhuǎn)化率，通入的空氣越多越好B．工業(yè)合成氨，從生產(chǎn)實際條件考慮，不盲目增大反應(yīng)壓強C．工業(yè)合成氨，考慮催化劑的活性選擇400~500℃的反應(yīng)溫度D．煉鐵高爐的進風(fēng)口設(shè)置在下端有利于燃料充分利用11．下圖為工業(yè)合成氨的流程圖。圖中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④12．下列關(guān)于反應(yīng)N2+3H22NH3的反應(yīng)速率與時間的關(guān)系圖中，縱坐標為反應(yīng)速率v，橫坐標為時間t，當反應(yīng)達到平衡后，改變的條件與反應(yīng)速率變化的關(guān)系中不符合實際的是()13．自然界中存在天然的大氣固氮過程為：N2(g)+O2(g)2NO(g)，人工固氮則主要依靠工業(yè)合成氨，下列結(jié)論不正確的是()反應(yīng)大氣固氮工業(yè)固氮溫度/℃27200025350400450平衡常數(shù)/K3.84×10-315×108A．工業(yè)固氮為熵減反應(yīng)B．常溫下，大氣固氮很難進行，而工業(yè)固氮卻容易進行C．人類大規(guī)模模擬大氣固氮應(yīng)用于工業(yè)上意義不大D．工業(yè)固氮溫度越低，氮氣與氫氣反應(yīng)越完全14．在一定條件下，對于密閉容器中的反應(yīng)：N2＋3H22NH3，下列說法正確的是()A．當?shù)獨夂蜌錃馔读媳?物質(zhì)的量之比)為1∶3時，達到平衡時氨的體積分數(shù)最大B．增加鐵觸媒的接觸面積，不可能提高合成氨工廠的年產(chǎn)量C．達到平衡時，氫氣和氨氣的濃度比一定為3∶2D．分別用氮氣和氫氣來表示該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率時，數(shù)值大小一定相同15．SO2在400~600℃下的催化氧化：2SO2+O22SO3，已知此正反應(yīng)放熱。如果反應(yīng)在密閉容器中進行，下列有關(guān)說法中錯誤的是()A．在上述條件下，SO2不可能完全轉(zhuǎn)化為SO3B．達到平衡時，SO2的濃度與SO3的濃度一定相等C．使用催化劑是為了加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率D．為了提高SO2的轉(zhuǎn)化率，可適當提高O2的濃度16．工業(yè)上，合成氨反應(yīng)N2+3H22NH3的微觀歷程如下圖所示。用、、分別表示N2、H2、NH3，下列說法正確的是()A．①→②催化劑在吸附N2、H2時，形成新的化學(xué)鍵B．②→③形成N原子和H原子是放熱過程C．①→⑤N2和H2全部化合成氨氣D．使用合適的催化劑，能提高合成氨反應(yīng)的效率【培優(yōu)競賽】17．在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)將SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

ΔH<0。已知催化劑是V2O5，在400℃-500℃左右時催化效果最好。下表為不同溫度和壓強下SO2的轉(zhuǎn)化率：壓強1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃時SO2的轉(zhuǎn)化率97.5%99.2%99.6%99.7%550℃時SO2的轉(zhuǎn)化率85.6%94.9%97.7%98.3%試回答：(1)根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡快地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)速率的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？______(2)根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡量多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)限度的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？______(3)在實際生產(chǎn)中，選定450℃左右作為操作溫度，其原因是什么？______(4)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析，制取SO3時采用的壓強是多少？原因是什么？______(5)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是什么？______(6)根據(jù)上述分析，實際工業(yè)生產(chǎn)中該反應(yīng)應(yīng)選擇的條件是什么？______18．工業(yè)合成氨的反應(yīng)為：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92kJ·mol-1(1)根據(jù)下表數(shù)據(jù)計算___________。化學(xué)鍵鍵能/kJ/mol436386x(2)在體積為的恒容密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)，其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如表：T/K298398498平衡常數(shù)KK1K2判斷K1___________K2(填“”、“”或“”)。②398K時進行合成氨反應(yīng)，下列能說明該反應(yīng)已達到平衡狀態(tài)的是_______(填字母)。A．混合氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變B．v正(N2)=3v逆(H2)C．容器內(nèi)壓強保持不變D．混合氣體的密度保持不變(3)甲同學(xué)為了探究外界條件對反應(yīng)的影響，以c0mol·L－1H2參加合成氨反應(yīng)，在a、、兩種條件下分別達到平衡，測得H2的濃度與反應(yīng)時間的關(guān)系如圖甲所示。①條件下，0-t0的平均反應(yīng)速率v(N2)=_________mol·L－1·min－1。相對而言，可能改變的條件是____________________。③在條件下，t1時刻將容器容積壓縮至原來的，t2時刻重新建立平衡狀態(tài)。則圖甲中在t1：t2時刻c(H2)的變化曲線可能為___________(填“A”、“B”、“”或“D”)。(4)乙同學(xué)向一恒溫恒壓容器中充入9molN2和23molH2，模擬合成氨的反應(yīng)，圖乙表示溫度時平衡混合物中氨氣的體積分數(shù)與總壓強(P)的關(guān)系。若體系在60MPa下達到平衡①此時N2的平衡分壓為___________MPa。(分壓總壓物質(zhì)的量分數(shù))②經(jīng)計算可得此時的平衡常數(shù)KP=___________。(用平分壓代替平衡濃度計算，結(jié)果精確到0.001)19．德國人哈伯在1905年發(fā)明了合成氨的方法，其合成原理為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4kJ·mol-1，他因此獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。合成氨技術(shù)的創(chuàng)立開辟了人工固氮的重要途徑，解決了億萬人口生存問題。請回答下列問題：(1)某化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組模擬工業(yè)合成氨的反應(yīng)。在容積固定為2L的密閉容器內(nèi)充入1molN2和3molH2，加入合適催化劑(體積可以忽略不計)后在一定溫度壓強下開始反應(yīng)，并用壓力計監(jiān)測容器內(nèi)壓強的變化如下表：反應(yīng)時間/min051015202530壓強/MPa則從反應(yīng)開始到25min時，以H2表示的平均反應(yīng)速率=_______。(2)合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，初始時氮氣、氫氣的體積比為1：3，在相同催化劑條件下平衡混合物中氨的體積分數(shù)φ(NH3)與