第12講-化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控(教師版)(人教版選修4)

第12第12講化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控知識導(dǎo)航知識導(dǎo)航課前導(dǎo)入鋼鐵生產(chǎn)是十七世紀(jì)從英國開始的第一次產(chǎn)業(yè)革命的兩大產(chǎn)業(yè)之一。高爐煉鐵的主要反應(yīng)是：鋼鐵生產(chǎn)是十七世紀(jì)從英國開始的第一次產(chǎn)業(yè)革命的兩大產(chǎn)業(yè)之一。高爐煉鐵的主要反應(yīng)是：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2其中CO的反應(yīng)是C+O2CO2=1\*GB3①CO2+C2CO②煉制1噸生鐵所需焦炭的實際用量，遠(yuǎn)高于按照化學(xué)方程式計算所需的量，且從高爐爐頂出來的氣體中含有沒有利用的CO氣體。開始，煉鐵工程師們認(rèn)為是因為CO與鐵礦石接觸不充分，于是設(shè)法增加高爐的高度。然而，令人吃驚的是，高爐增高后，高爐尾氣中的比例竟然沒有改變。這成了煉鐵技術(shù)中的科學(xué)懸念。有關(guān)人士一直在探究其中的原因，直到十九世紀(jì)下半葉，法國科學(xué)家勒夏特列經(jīng)過深入的研究，才將這一迷底解開。原來，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是反應(yīng)②是一個可逆反應(yīng)，并且至上而下發(fā)生在高爐中有焦炭的地方。后來的研究說明，在高爐中Fe2O3和CO反應(yīng)也不能全部轉(zhuǎn)化為Fe和CO2。那么，有什么方法可以對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，讓其盡可能多地轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物呢？知識預(yù)習(xí)知識預(yù)習(xí)一、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？請?zhí)钊胂卤?。對合成氨反?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二、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/%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思考與交流：合成氨的反應(yīng)，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？思考與交流：綜合上述兩個方面，分析增大合成氨的反應(yīng)速率與提高平衡混合物中氨的含量所應(yīng)采取的措施是否一致。在實際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢?三、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)需考慮的問題1．反應(yīng)限度：要考慮盡量增大反應(yīng)物的__________，充分利用原料。2．反應(yīng)速率：要選擇較快的____________，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量。3．生產(chǎn)要求：要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件?！敬鸢浮哭D(zhuǎn)化率反應(yīng)速率四、合成氨反應(yīng)的條件調(diào)控條件選擇原因解釋向反應(yīng)器中注入過量N2將氨液化，并移去液氨在高壓下進(jìn)行反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎敬鸢浮刻岣逪2的轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)速率并提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率提高反應(yīng)速率提高反應(yīng)速率思考與交流（（1）工業(yè)上合成氨為什么不采用更高壓強？（2）工業(yè)上合成氨為什么不采用更高溫度？【答案】（1）壓強越大，對設(shè)備的要求越高、成本越高。（2）①合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，轉(zhuǎn)化率降低。②400～500℃催化劑活性最大，升高溫度，催化劑活性減弱甚至失活。對點訓(xùn)練對點訓(xùn)練命題點一：合成氨的條件調(diào)控【例1】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【答案】B【解析】把氨分離出來是減小生成物濃度，有利于平衡右移；合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，較低溫度利于反應(yīng)向右進(jìn)行，同時該反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，盡可能采取高壓利于正反應(yīng)，A、C、D都符合平衡移動原理，而使用催化劑僅是為增大反應(yīng)速率，與平衡無關(guān)?！咀?-1】關(guān)于合成氨工業(yè)的下列說法正確的是（）A．從合成塔出來的氣體，其中氨氣一般占15%，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)效率都很低B．由于易液化，、可循環(huán)使用，則總的說來，氨的產(chǎn)率很高C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行D．合成氨工業(yè)采用，是因為該條件下催化劑的活性最好【答案】B【詳解】A．從合成塔出來的氣體中，氨氣一般僅占15%，但由于氮氣和氫氣的再循環(huán)，使得生產(chǎn)氨的工業(yè)效率也能達(dá)到相當(dāng)高的水平，故A不選；B．由A項可知B正確，故選B；C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃左右，是為使催化劑的活性達(dá)到最佳狀態(tài)，故C不選；D．合成氨工業(yè)采用，是因為再增大壓強，平衡轉(zhuǎn)化率不會提高太多，且增大壓強對設(shè)備的要求更高，不能達(dá)到更好的經(jīng)濟效益，故D不選。故答案選B?！咀?-2】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，使和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【答案】B【詳解】A．使用催化劑，能加快反應(yīng)速率，但對平衡移動沒有影響，不能用勒夏特列原理來解釋，A項不符合題意；B．成氨反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體總物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，加壓可使平衡正向移動，有利于合成氨氣，可用勒夏特列原理來解釋，B項符合題意；C．合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，高溫不利于合成氨氣，溫度控制在700K左右是考慮催化劑的活性和加快反應(yīng)速率，不能用勒夏特列原理來解釋，C項不符合題意；D．循環(huán)操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理來解釋，D項不符合題意。答案選B?！纠?】合成氨工業(yè)對化學(xué)工業(yè)和國防工業(yè)具有重要意義。工業(yè)合成氨生產(chǎn)示意圖如圖所示。(1)X的化學(xué)式為________。(2)圖中條件選定的主要原因是________(填字母編號)。A．溫度、壓強對化學(xué)平衡的影響B(tài)．鐵觸媒在該溫度時活性大C．工業(yè)生產(chǎn)受動力、材料、設(shè)備等條件的限制(3)改變反應(yīng)條件，會使平衡發(fā)生移動。如圖表示隨條件改變，氨氣的百分含量的變化趨勢。當(dāng)橫坐標(biāo)為壓強時，變化趨勢正確的是__________，當(dāng)橫坐標(biāo)為溫度時，變化趨勢正確的是________(填字母編號)?！敬鸢浮?1)NH3(2)B、C(3)ca【解析】(1)原料氣N2和H2經(jīng)一定條件下的反應(yīng)，生成的NH3(X)冷卻后從設(shè)備中分離出來，同時尾氣中含有的N2(Y)和H2(Y)進(jìn)行循環(huán)利用。(2)溫度選擇在500℃并不是從化學(xué)平衡的影響分析的，而是因為催化劑在此溫度時活性大，而且還可以適當(dāng)提高化學(xué)反應(yīng)速率，壓強選擇20～50MPa是從化學(xué)平衡理論分析的，壓強越大，平衡向生成NH3的方向移動，但不能過大，因為壓強過大，對設(shè)備、材料的要求高，投資大，這樣就不經(jīng)濟。(3)考查壓強、溫度對化學(xué)平衡的影響?！纠?】下表所列實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強下達(dá)到平衡狀態(tài)時，混合物中的含量（體積分?jǐn)?shù)）的變化情況[投料比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）比較200℃和300℃時的數(shù)據(jù)，可判斷出升高溫度，平衡向_____（填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”）方向移動，合成氨的正反應(yīng)為_________（填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)。（2）根據(jù)平衡移動原理，合成氨的適宜條件是_________（填序號）A高溫、高壓B高溫、低壓C低溫、高壓D低溫、低壓（3）500℃、時，的轉(zhuǎn)化率為__________。（4）工業(yè)中實際生產(chǎn)氨時，考慮到濃度對化學(xué)平衡及反應(yīng)速率的影響，常采取的措施有：__________?！敬鸢浮磕娣磻?yīng)放熱C41.77%加入過量（或）（或及時從平衡體系中移走）

【詳解】(1)表中數(shù)據(jù)表明：恒壓時，升高溫度，的含量減小，說明平衡向逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故答案：逆反應(yīng)；放熱。(2)由反應(yīng)知，合成氨的適宜條件是低溫、高壓，在低溫、高壓的條件下平衡向右移動，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大，故C符合題意。(3)假設(shè)的用量為的用量為的消耗量為，則：平衡時的含量為，得，則，故答案：41.77%(4)實際工業(yè)合成氨時，考慮濃度對化學(xué)平衡的影響，還可以向體系中加入稍過量的N2或及時從平衡混合物中分離出NH3；故答案為：向體系中加入稍過量的N2或及時從平衡混合物中分離出NH3。命題點二：化學(xué)反應(yīng)的條件調(diào)控【例4】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【答案】D【詳解】A．牛奶放在冰箱中冷藏，降低了溫度，反應(yīng)速率降低，A正確；B．使用加酶洗衣粉洗滌衣物，相當(dāng)于使用了催化劑，加快反應(yīng)速率，B正確；C．汽車的橡膠輪胎中要添加抑制劑是為了防止橡膠老化，延長壽命，降低了反應(yīng)速率，C正確；D．工業(yè)合成氨時，及時將氨氣液化分離，是降低生成物濃度，使平衡正向進(jìn)行，與速率無關(guān)，D錯誤；故選D。【例5】是工業(yè)上制硝酸的重要反應(yīng)，下列有關(guān)說法錯誤的是A．使用催化劑可以加快反應(yīng)速率B．增大壓強可以加快反應(yīng)速率C．達(dá)到平衡時，V(正)＝V(逆)D．增大O2的濃度可以使NH3全部轉(zhuǎn)變?yōu)镹O【答案】D【詳解】A項、催化劑可降低反應(yīng)的活化能，增大活化分子百分?jǐn)?shù)，可增大反應(yīng)速率，故A正確；B項、增大壓強，氣體濃度增大，單位體積活化分子數(shù)目增多，反應(yīng)速率增大，故B正確；C項、v（正）=v（逆）說明各物質(zhì)的濃度、質(zhì)量等不變，說明達(dá)到反應(yīng)限度，為平衡狀態(tài)，故C正確；D項、該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，可逆反應(yīng)不可能完全進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不可能達(dá)到100%，故D錯誤；故選D。提分作業(yè)提分作業(yè)【練1】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(jìn)行【答案】D【詳解】A.為加快反應(yīng)速率，合成氨生產(chǎn)中常用鐵觸媒作催化劑，A正確；B.為提高原料利用率，合成氨生產(chǎn)中N2、H2循環(huán)使用，B正確；C.NH3液化分離降低生成物濃度有利于平衡正向進(jìn)行，C正確；D.合成氨反應(yīng)在常壓下不能進(jìn)行，D錯誤；答案選D?！揪?】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(dāng)?shù)獨夂蜌錃馔读媳?物質(zhì)的量之比)為1∶3時，達(dá)到平衡時氨的體積分?jǐn)?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(dá)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【答案】A【詳解】當(dāng)?shù)獨夂蜌錃馔读媳葹?∶3時，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，兩種原料的轉(zhuǎn)化率相同，故達(dá)到平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)最大，A正確；增加鐵觸媒的接觸面積，加快反應(yīng)速率，可以提高合成氨工廠的年產(chǎn)量，B錯誤；平衡時，物質(zhì)的濃度關(guān)系取決起始量和轉(zhuǎn)化率，所以到平衡時，H2和NH3的濃度比不一定為3∶2，C錯誤；反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，因化學(xué)計量數(shù)不同，則反應(yīng)速率的數(shù)值不同，D錯誤?！揪?】在氮及其化合物的化工生產(chǎn)中，對有關(guān)反應(yīng)的反應(yīng)原理進(jìn)行研究有著重要意義。(1)t℃時，關(guān)于N2、NH3的兩個反應(yīng)的信息如下表所示：化學(xué)反應(yīng)正反應(yīng)活化能逆反應(yīng)活化能t℃時平衡常數(shù)N2(g)+O2(g)=2NO(g)?H＞0akJ?mol-1bJ?mol-1K14NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)?H＜0eJ?mol-1dJ?mol-1K2請寫出t℃時NH3被NO氧化生成無毒氣體的熱化學(xué)方程式_______(反應(yīng)熱用a、b、e、d代數(shù)式表示)。t℃該反應(yīng)的平衡常數(shù)為_______(用K1和K2表示)。請解釋該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行_______。(2)一定溫度下，將2molN2和6molH2置于1L的恒容密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H＜0。測得不同條件、不同時間段內(nèi)合成氨反應(yīng)中N2的轉(zhuǎn)化率，數(shù)據(jù)如下：1小時2小時3小時4小時T130%50%80%80%T235%60%ab①上表中T1_______T2(“＞”“＜”或“=”表示)，其中a、b、80%三者的大小關(guān)系是_______(用含“＞”“＜”或“=”的關(guān)系式表示)。②研究表明，合成氨的速率與相關(guān)物質(zhì)的濃度關(guān)系為v=，k為速率常數(shù)。以下說法正確的是_______(填字母)A．升高溫度，k值增大B．T2℃時若容器內(nèi)混合氣體平均相對分子質(zhì)量為17且保持不變，則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)C．將原容器中的NH3及時分離出來可使v增大D．合成氨達(dá)到平衡后，增大c(N2)可使正反應(yīng)速率在達(dá)到新平衡的過程中始終增大。③已知某溫度下該反應(yīng)達(dá)平衡時各物質(zhì)均為1mol，容器容積為1L，保持溫度和壓強不變，又充入3molN2后，平衡_______(填“向左移動”“向右移動”或“不移動”)?！敬鸢浮?NH3(g)+6NO(g)=5N2(g)+6H2O(g)?H=(e-d-5a+5b)kJ·mol-1該反應(yīng)?H＜0，?S＞0，所以?G＜0，可以自發(fā)進(jìn)行＜a=b＜80%ABC不移動【詳解】(1)依題意可得：N2(g)+O2(g)=2NO(g)?H=(a-b)kJ?mol-1①4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)?H=(e-d)kJ?mol-1②利用蓋斯定律，將反應(yīng)②-①×5，即得t℃時NH3被NO氧化生成無毒氣體的熱化學(xué)方程式為4NH3(g)+6NO(g)=5N2(g)+6H2O(g)?H=(