第四節(jié)化學反應的調(diào)控課程目標1．相識化學反應速率和化學平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學探討中的重要作用。2．以工業(yè)合成氨為例，能從反應限度、反應速率等角度對化學反應和化工生產(chǎn)條件綜合分析。3．知道催化劑可以變更反應歷程，對調(diào)控化學反應速率具有重要意義。圖說考點必備基礎——自學·嘗試[新知預習]一、合成氨反應的特點1．合成氨反應的特點(1)反應N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。(2)特點①________熱反應(ΔH________0)；②熵________的反應(ΔS________0)，即反應過程中氣體分子總數(shù)________的反應；③可逆反應。2．理論分析依據(jù)合成氨反應的特點，以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量，應選擇的反應條件如表所示：對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應速率______反應物濃度______溫度______壓強______催化劑提高平衡混合物中氨的含量______反應物濃度______溫度______壓強—二、條件選擇1．壓強(1)理論分析：合成氨時，壓強越大越好，但是壓強越大，對________和________要求也越高，須要的動力也________，這將會大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟效益。(2)實際選擇：我國的合成氨廠一般采納的壓強為________MPa。2．溫度(1)理論分析：依據(jù)平衡移動原理，合成氨應當采納低溫以提高平衡轉化率。試驗數(shù)據(jù)也說明白這一點(如圖)。但是，溫度降低會使化學反應速率減小，達到平衡所需時間變長，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟的。(2)實際選擇：在實際生產(chǎn)中一般采納的溫度為________℃。3．催化劑(1)目前，合成氨工業(yè)中普遍運用的催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)。(2)催化原理：變更反應歷程，________反應的活化能，如圖所示：(3)鐵觸媒在500℃左右時的________最大，這也是合成氨反應一般選擇400～500℃進行的重要緣由。[即學即練]1．推斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”(1)合成氨反應放熱，因此溫度應盡可能低。()(2)將氨氣液化分別移走，可提高合成氨轉化率。()(3)運用鐵觸媒作催化劑既可提高合成氨的反應速率，又可提高氨氣的產(chǎn)率。()(4)合成氨反應一般選擇400～500℃進行的重要緣由之一為該溫度下催化劑活性好。()2．下列有關以H2和N2為原料氣的工業(yè)合成氨反應的說法不正確的是()A．屬于放熱反應B．ΔS>0C．屬于可逆反應D．在恒容容器中反應，壓強漸漸減小3．已知298K時，合成氨反應N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，將此溫度下的1molN2和3molH2放在一密閉容器中，在催化劑存在條件下進行反應，測得反應放出的熱量(忽視能量損失)()A．肯定大于92.4kJB．肯定等于92.4kJC．肯定小于92.4kJD．不能確定4．工業(yè)合成氨中，下列措施有利于提高平衡轉化率的是()A．上升溫度B．從體系中分別出氨C．運用催化劑D．恒溫恒容下，充入稀有氣體5．下表所列試驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強下達到平衡狀態(tài)時，混合物中NH3的含量(體積分數(shù))的變更狀況[投料比V(N2)∶V(H2)＝1∶3]。壓強/MPaNH3的含量/%溫度/℃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)比較200℃和300℃時的數(shù)據(jù)，可推斷出上升溫度，平衡向________(填“正反應”或“逆反應”)方向移動，合成氨的正反應為________(填“吸熱”或“放熱”)反應。(2)依據(jù)平衡移動原理，合成氨的相宜條件是________(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℃、30MPa時，N2的轉化率為________。(4)工業(yè)上實際生產(chǎn)氨時，考慮到濃度對化學平衡及反應速率的影響，常實行的措施有：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。核心素養(yǎng)——探究·共享提升點工業(yè)生產(chǎn)的條件選擇及解析例哈伯獨創(chuàng)用氮氣和氫氣合成氨的方法，獲得了1918年諾貝爾化學獎。其原理為N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH<0，ΔS________(填“>”“<”或“＝”)0。(1)下列關于工業(yè)合成氨的說法不正確的是________(填標號)。A．因為ΔH<0，所以該反應肯定能自發(fā)進行B．采納高壓是為了增大反應速率，但會使反應物的轉化率降低C．在高溫下進行是為了提高反應物的轉化率D．運用催化劑增大反應速率是因為催化劑降低了反應的活化能(2)在恒溫恒容密閉容器中進行合成氨的反應，下列能說明該反應已達到平衡狀態(tài)的是________(填標號)。a．容器內(nèi)N2、H2、NH3的濃度之比為1∶3∶2b．3v正(N2)＝v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)工業(yè)上合成氨的部分工藝流程如圖：請用平衡移動原理說明在工藝流程中剛好分別出氨氣和將NH3分別后的原料氣循環(huán)運用的緣由________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)某科研小組探討在其他條件不變的狀況下，變更起始時氫氣的物質的量對工業(yè)合成氨反應的影響。試驗結果如圖所示(圖中T表示溫度，n表示H2的物質的量)。①圖中T2和T1的關系：T2________(填“>”“<”或“＝”)T1。②a、b、c、d四點所處的平衡狀態(tài)中，N2的轉化率最高的是________(填字母)。(5)恒溫下，向一個4L的密閉容器中充入5.2molH2和2molN2，反應過程中對NH時間/min51015202530c(NH3)/(mol·L－1)0.080.140.180.200.200.20①此條件下該反應的化學平衡常數(shù)K＝________。②若維持容器容積不變，溫度不變，向原平衡體系中加入H2、N2和NH3各4mol，化學平衡將向________(填“正”或“逆”)反應方向移動。(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寫出氨氣催化氧化生成NO和水蒸氣的熱化學方程式________________________________________________________________________。狀元隨筆[提升]工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時，利用催化氧化反應將SO2轉化為SO3是一個關鍵步驟。不同壓強和溫度下，反應達到平衡時，SO2的轉化率如表所示(原料氣各成分的體積分數(shù)為SO2：7%O2：11%N2：82%)。壓強/MPa轉化率/%溫度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(1)SO2的氧化反應是________(填“吸熱”或“放熱”)反應。(2)依據(jù)表中信息，你認為工業(yè)上將SO2轉化為SO3的相宜條件是________。(3)選擇相宜的催化劑，是否可以提高SO2的轉化率？________(填“是”或“否”)。(4)若保持溫度和容積不變，平衡后通入氧氣，再達平衡時則SO2的濃度________(填“增大”或“減小”)。(5)若保持溫度和壓強不變，平衡后通入He，SO3的含量________(填“增大”或“減小”)。關鍵實力工業(yè)生產(chǎn)中化學反應條件的優(yōu)化1．化學反應條件選擇的基本原則化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)中起著重要作用，在實際生產(chǎn)中應當運用對立統(tǒng)一規(guī)律，綜合化學反應速率和化學平衡規(guī)律，既考慮反應進行的快慢，又考慮反應的限度，在這個過程中還要堅持以下三個原則：(1)既要留意外界條件對化學反應速率和化學平衡影響的一樣性，又要留意對二者影響的沖突性。(2)既要留意溫度、催化劑對化學反應速率影響的一樣性，又要留意催化劑的活性對溫度的要求。(3)既要留意理論上的須要，又要考慮實際生產(chǎn)(如設備條件、平安操作、經(jīng)濟成本等)的可能性。2．化學反應條件優(yōu)化的基本思路(1)從可逆性、反應前后氣體體積的變更、焓變、反應的方向四個角度分析反應的特點。(2)依據(jù)反應特點詳細分析外界條件對化學反應速率和反應限度的影響；從化學反應速率和反應限度的角度綜合分析，再充分考慮實際狀況，選擇相宜的外界條件。(3)工業(yè)生產(chǎn)中化學反應條件優(yōu)化的理論依據(jù)外界條件有利于使反應速率增大的條件的限制有利于平衡移動的條件的限制綜合分析結果濃度增大反應物的濃度增大反應物的濃度、減小生成物的濃度不斷補充反應物、剛好分別誕生成物催化劑加合適的催化劑無影響加合適的催化劑溫度高溫ΔH<0低溫兼顧化學反應速率和化學平衡，考慮催化劑的相宜溫度ΔH>0高溫兼顧實際生產(chǎn)條件，考慮催化劑的相宜溫度壓強高壓(有氣體參與)氣體分子數(shù)減小的反應高壓在設備條件允許的前提下，盡量實行高壓氣體分子數(shù)增大的反應低壓兼顧化學反應速率和化學平衡素養(yǎng)形成——自測·自評1.工業(yè)上合成氨一般采納500℃左右的溫度，其緣由是()①適當增大NH3的合成速率②提高氫氣的轉化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在500℃左右活性最大A．①B．①③C．①④D．②③④2．合成氨時既要提高氨的產(chǎn)率，又要增大反應速率，可實行的方法是()①減壓②加壓③升溫④降溫⑤剛好從平衡混合物中分別出NH3⑥充入N2或H2⑦加催化劑⑧減小N2或H2的物質的量A．③④⑤⑦B．①②⑤⑥C．②⑥D．②③⑥⑦3．CO和NO都是汽車尾氣中的有害物質，它們之間能緩慢發(fā)生反應：2NO(g)＋2CO(g)?N2(g)＋2CO2(g)ΔH<0，現(xiàn)利用此反應，擬設計一種環(huán)保裝置，用來消退汽車尾氣對大氣的污染，下列設計方案可以提高尾氣處理效果的是()①選用合適的催化劑②提高裝置溫度③降低裝置的壓強④向裝置中放入堿石灰A．①③B．②④C．①④D．②③4．如圖所示為工業(yè)合成氨的流程圖，下列有關說法不正確的是()A.步驟①中“凈化”可以防止催化劑“中毒”B．步驟②中“加壓”既可以提高原料的轉化率，又可以增大反應速率C．步驟③④⑤均有利于提高原料的平衡轉化率D．液態(tài)NH3除可生產(chǎn)化肥外，還可作制冷劑5．氫能是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，CH4-H2O催化重整是目前大規(guī)模制取氫氣的重要方法。(1)CH4-H2O催化重整：反應Ⅰ：CH4(g)＋H2O(g)?CO(g)＋3H2(g)ΔH1＝＋210kJ·mol－1反應Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)?CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41kJ·mol－1①提高CH4的平衡轉化率的條件是________(填字母)。a．增大壓強b．加入催化劑c．增大水蒸氣濃度②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的熱化學方程式是________________________________________________________________________。③在密閉容器中，將2.0molCO與8.0molH2O混合加熱到800℃發(fā)生反應Ⅱ，達到平衡時CO的轉化率是80%，其平衡常數(shù)為________。(2)試驗發(fā)覺，其他條件不變，相同時間內(nèi)，向催化重整體系中投入肯定量的CaO可以明顯提高H2的百分含量。做對比試驗，結果如圖所示：①投入CaO時，H2百分含量增大的緣由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②投入納米CaO時，H2百分含量比加入微米CaO時增大的緣由是________________________________________________________________________。(3)反應中催化劑活性會因積炭反應而降低，相關數(shù)據(jù)如下表：反應ⅠⅡCH4(g)C(s)＋2H2(g)2CO(g)C(s)＋CO2(g)ΔH(kJ·mol－1)＋75－173①探討發(fā)覺，假如反應Ⅰ不發(fā)生積炭過程，則反應Ⅱ也不會發(fā)生積炭過程。因此，若保持催化劑的活性，應實行的條件是________________________________________________________________________。②假如Ⅰ、Ⅱ均發(fā)生了積炭反應，通入過量水蒸氣能有效清除積炭，反應的化學方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。第四節(jié)化學反應的調(diào)控必備基礎新知預習一、1．(2)放<減小<減小2．增大上升增大運用增大降低增大二、1．(1)材料的強度設備的制造越大(2)10～302．(2)400～5003．(2)降低(3)活性即學即練1．(1)×(2)√(3)×(4)√2．解析：工業(yè)合成氨反應為N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH＝-92.4kJ·mol-1，該反應為放熱反應，A項正確；該反應為氣體分子數(shù)減小的反應，則ΔS<0，B項錯誤；H2和N答案：B3．解析：由合成氨的熱化學方程式可知，1molN2和3molH2完全反應，放出92.4kJ熱量，而合成氨反應為可逆反應，故1molN2和3molH2不行能完全反應，則達到平衡時，放出的熱量小于92.4kJ，C項正確。答案：C4．解析：合成氨反應的ΔH<0，升溫，平衡向NH3分解的方向移動，平衡轉化率減小，A項不符合要求；從體系中分別出氨，可降低混合氣體中NH3的含量，從而使平衡向生成NH3的方向移動，平衡轉化率增大，B項符合要求；運用催化劑只能增大合成氨的反應速率，不能改變更學平衡，平衡轉化率不變，C項不符合要求；恒溫恒容下，充入稀有氣體，不能變更反應體系中H2、N2、NH3的濃度，平衡不移動，則平衡轉化率不變，D項不符合要求。答案：B5．解析：(1)表中數(shù)據(jù)表明：恒壓時，上升溫度，NH3的含量減小，說明平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應。(2)由反應N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)ΔH<0知，合成氨的相宜條件是低溫、高壓，在低溫、高壓的條件下平衡向右移動，反應物的轉化率增大。(3)假設N2的用量為1mol,H2的用量為3mol，N2的消耗量為xmol，則：N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)初始量/mol130轉化量/molx3x2x平衡量/mol1－x3－3x2x平衡時NH3的含量為2x2x+1-x+3-(4)增大反應物濃度或降低生成物濃度均有利于平衡向正反應方向移動。答案：(1)逆反應放熱(2)C(3)41.77%(4)加入過量N2(或H2)(或剛好從平衡體系中移走NH3)核心素養(yǎng)例解析：合成氨反應為氣體分子數(shù)減小的反應，故為熵減反應，即ΔS<0。(1)由ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，該反應需在肯定溫度下才能自發(fā)進行，A項錯誤；該反應為氣體分子數(shù)減小的反應，因此高壓可提高反應物的轉化率，B項錯誤；該反應的ΔH<0，升溫使平衡逆向移動，反應物的轉化率降低，C項錯誤；催化劑可變更反應歷程，降低反應活化能，D項正確。(2)a項，容器中N2、H2、NH3的濃度之比為1∶3∶2是反應可能達到的一個特別狀態(tài)，與該反應是否達到平衡狀態(tài)無關；b項，由化學方程式可知，v(H2)＝3v(N2)，則由3v正(N2)＝v逆(H2)可知，v正(H2)＝v逆(H2)，說明該反應達到平衡狀態(tài)；c項，該反應達到平衡前，壓強漸漸減小，則容器內(nèi)壓強保持不變說明該反應達到平衡狀態(tài)；d項，恒容容器，容積不變，容器內(nèi)混合氣體的質量不變，則混合氣體的密度始終不變，故混合氣體的密度保持不變不能作為該反應達到平衡的標記。(3)剛好分別出氨氣，可減小生成物的濃度，從而可使平衡正向移動，提高產(chǎn)率，將NH3分別后的原料氣循環(huán)利用可提高原料的利用率。(4)①達到平衡時，T2時NH3的體積分數(shù)大于T1時NH3的體積分數(shù)，則T2<T1。②增大H2的物質的量，可提高N2的轉化率，則c點的N2轉化率最高。(5)①由表中數(shù)據(jù)可知，達到平衡時，c(NH3)＝0.20mol·L－l，則：N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)起始量/mol25.20轉化量/mol0.41.20.8平衡量/moll．64.00.8平衡濃度/(mol·L－1)0.41.00.2平衡常數(shù)K＝0.22②向原平衡體系中加入4molN2、4molH2、4molNH3，則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，故化學平衡逆向移動。(6)已知的3個反應，從上至下依次標記為①、②、③，依據(jù)蓋斯定律，由②×2＋③×3－①×2得4NH3(g)＋5O2(g)答案：<(1)ABC(2)bc(3)減小生成物的濃度，可使平衡正向移動，提高產(chǎn)率；將NH3分別后的原料氣循環(huán)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)由表中數(shù)據(jù)可知，壓強肯定時，上升溫度，SO2的平衡轉化率降低，說明上升溫度，平衡逆向移動，因此二氧化硫的氧化反應是放熱反應；(2)400～500℃時，SO2的轉化率都比較高，適當上升溫度雖然會犧牲一些SO2的轉化率，但是可以顯著增大反應速率；壓強越大，SO2的轉化率越高，但是10MPa對生產(chǎn)設備的要求較高，生產(chǎn)成本也會增大，產(chǎn)生的額外收益卻不高，因此選1MPa即可；(3)催化劑不變更平衡移動，因此不能提高SO2的轉化率；(4)通入氧氣相當于提高反應物的濃度，平衡正向移動，因此二氧化硫的濃度減?。?5)保持壓強不變充入氦氣，容器的容積增大，各氣體的濃度減小，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動，即逆向移動，因此三氧化硫的含量減小。答案：(1)放熱(2)1MPa、400～500℃(3)否(4)減小(5)減小素養(yǎng)形成1．解析：溫度較高，化學反應速率較快，①正確；工業(yè)合成氨的反應為放熱反應，則上升溫度時，平衡逆向移動，反應物的轉化率降低，NH3的產(chǎn)率降低，②、③錯誤；催化劑活性受溫度影響較大，工業(yè)合成氨普遍運用鐵觸媒作為催化劑，它在500℃左右時的活性最大，④正確，故C項正確。答案：C2．解析：增大壓強、降低溫度、剛好從平衡混合物中分別出NH3、充入N2或H2均能提高氨的產(chǎn)率；增大壓強、上升溫度、充入N2或H2加催化劑均能增大反應速率，故②⑥符合題意，即C項正確。答案：C3．解析：選用合適的催化劑雖不能提高反應物的平衡轉化率，但能增大反應速率；因為該反應的正反應為放熱反應，所以上升溫度，平衡向逆反應方向移動；該反應的正反應為氣體分子數(shù)減小的反應，因此降低壓強，能使平衡向逆反應方向移動；向裝置中放入堿石灰能汲取CO2，使CO2的濃度降低，平衡向正反應方向移動。綜上可知，C項符合題意。答案：C4．解析：步驟①中“凈化”可以除去原料氣中的雜質氣體，防止雜質氣體降低催化劑的催化效果，A項正確；合成氨反應