第6講化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控⒈了解化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控原理，掌握化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的基本概念和調(diào)控方法。⒉理解合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)以及外部條件對(duì)合成氨反應(yīng)的影響，能夠解析合成氨生產(chǎn)的主要流程。⒊掌握工業(yè)生產(chǎn)條件選擇的依據(jù)和原則，了解實(shí)際生產(chǎn)過程中調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的方法和手段。重點(diǎn):化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控重點(diǎn)在于理解化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的概念及其在合成氨反應(yīng)中的應(yīng)用。難點(diǎn):根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)和外部條件來(lái)選擇適宜的反應(yīng)條件，以及如何利用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論來(lái)解釋實(shí)際生產(chǎn)中的問題。一、外界條件對(duì)合成氨反應(yīng)的影響1．升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度及使用催化劑等，都可以使合成氨的反應(yīng)速率增大。2、降低溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物的濃度等有利于提高平衡混合物中氨的含量。3．催化劑可以增大反應(yīng)速率，但不改變平衡混合物的組成。二、合成氨生產(chǎn)條件的選擇和優(yōu)化1．壓強(qiáng)的選擇根據(jù)合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式，正向反應(yīng)氣體體積減小，從平衡控制的角度來(lái)看，合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好。但壓強(qiáng)越大，對(duì)材料強(qiáng)度和設(shè)備制造的要求越高。這將大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10_MPa～30_MPa。2．溫度的選擇根據(jù)平衡移動(dòng)原理，合成氨應(yīng)該采用低溫以提高平衡轉(zhuǎn)化率。但是溫度降低會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡時(shí)間過長(zhǎng)，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。因此，需要選擇一個(gè)合適的溫度。目前，實(shí)際生產(chǎn)一般采用的溫度是400～500_℃。3．催化劑的選擇即使在高溫、高壓下，N2和H2的化合反應(yīng)仍然進(jìn)行得十分緩慢，通常需要加入催化劑。目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以eq\o(□,\s\up2(02))鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500_℃左右時(shí)活性最大，這也是合成氨反應(yīng)一般選擇在400～500_℃進(jìn)行的重要原因。4．濃度對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響(1)原料氣必須凈化，防止“催化劑中毒”。(2)采取迅速冷卻的方法及時(shí)分離出液態(tài)氨，促進(jìn)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。(3)原料氣體循環(huán)使用。5．調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的原則(1)綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素。(2)結(jié)合設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟(jì)成本等實(shí)際問題考慮。(3)根據(jù)環(huán)境保護(hù)及社會(huì)效益等方面的規(guī)定和要求做出解析、權(quán)衡利弊。1.工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用500攝氏度左右的溫度，其原因是（）①適當(dāng)提高NH3的合成速率

②適當(dāng)提高H2或N2的轉(zhuǎn)化率③提高NH3的產(chǎn)率

④催化劑在500攝氏度左右活性最大．A.①B.①④C.②③D.①②③④【解析】：合成氨發(fā)生：N2+3H2催化劑高溫高壓2NH3△升高溫度可增大反應(yīng)速率，提高產(chǎn)量，故①正確；該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度不是提高轉(zhuǎn)化率，或氨氣的差率故②③錯(cuò)誤；該溫度時(shí)，催化劑的活性最大，有利于增大反應(yīng)速率，提高產(chǎn)量，故④正確。故選:B?？键c(diǎn)1工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化1．化學(xué)反應(yīng)條件選擇的基本原則化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)中起著重要作用，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)運(yùn)用對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律，綜合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)規(guī)律，既考慮反應(yīng)進(jìn)行的快慢，又考慮反應(yīng)的限度，在這個(gè)過程中還要堅(jiān)持以下三個(gè)原則：(1)既要注意外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。(2)既要注意溫度、催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的要求。(3)既要注意理論上的需要，又要考慮實(shí)際生產(chǎn)的可能性。2．選擇適宜條件的基本思路(1)從可逆性、反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)的變化、焓變、反應(yīng)的方向四個(gè)角度解析反應(yīng)的特點(diǎn)。(2)根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)具體解析外界條件對(duì)反應(yīng)速率和限度的影響；從反應(yīng)速率和限度的角度綜合解析，再充分考慮實(shí)際情況，選擇適宜的外界條件。(3)工業(yè)合成氨條件選擇的理論依據(jù)外界條件有利于使反應(yīng)速率增大的條件的控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件的控制綜合解析結(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補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)分離出生成物催化劑加合適的催化劑無(wú)影響加合適的催化劑續(xù)表外界條件有利于使反應(yīng)速率增大的條件的控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件的控制綜合解析結(jié)果溫度高溫ΔH<0低溫兼顧反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，考慮催化劑的適宜溫度壓強(qiáng)高壓ΔV(g)<0高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓關(guān)于工業(yè)合成氨的敘述中錯(cuò)誤的是（）A.在動(dòng)力、設(shè)備、材料允許的條件下盡可能在高壓下進(jìn)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、的循環(huán)利用可提高其利用率，降低成本D.及時(shí)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(dòng)【答案】B【解析】A.合成氨的正反應(yīng)為氣體體積縮小的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高，則在動(dòng)力、設(shè)備、材料允許的條件下盡可能在高壓下進(jìn)行，故A正確;B.合成氨的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度后不利于氨氣的生成，故B錯(cuò)誤；C.合成氨中I?N?和H?的循環(huán)使用，可以提高原料氣的利用率，降低成本，故C正確；D.及時(shí)從反應(yīng)體系中分離出氨氣，反應(yīng)物濃度減小，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故D正確；故選:B。2007年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予致力于研究合成氨與催化劑表面積大小關(guān)系的德國(guó)科學(xué)家格哈德?埃特爾，表彰他在“固體表面化學(xué)過程”研究中作出的貢獻(xiàn)．下列說(shuō)法中正確的是（）A.工業(yè)生產(chǎn)中，合成氨采用壓強(qiáng)越高，溫度越低，越有利于提高經(jīng)濟(jì)效益B.增大催化劑的表面積，能加快合成氨的正反應(yīng)速率、降低逆反應(yīng)速率C.采用催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能降低，使反應(yīng)易達(dá)過渡態(tài)，故明顯加快D.增大催化劑的表面積，能增大氨氣的產(chǎn)率【答案】A【解析】反應(yīng)物濃度不會(huì)減小為0，故正反應(yīng)速率不會(huì)減小為0。答案選A。近日，中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表一項(xiàng)重大成果——首次在實(shí)驗(yàn)室用CO?人工合成淀粉，生物酶催化劑是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵因素。以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.淀粉和酶都屬天然有機(jī)高分子化合物B.使用生物酶大大提高了人工合成淀粉速率C.人工合成淀粉有利于推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)D.催化劑能降低化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱【答案】DA.相對(duì)分子質(zhì)量在一萬(wàn)以上的是高分子化合物，淀粉和酶均屬于有機(jī)高分子化合物，故A正確；B.生物酶在合成過程中做催化劑，大大提高了人工合成淀粉的速率，故B正確；C.人工合成淀粉能減少二氧化碳的排放，有利于推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，故C正確；D.催化劑只能同等程度降低正逆反應(yīng)的活化能，不能改變反應(yīng)物和生成物的總能量，故對(duì)反應(yīng)熱無(wú)影響，故D錯(cuò)誤；故選:D?？键c(diǎn)2化學(xué)反應(yīng)速率與平衡圖像解析1．化學(xué)平衡圖像題的思維流程2．解題步驟3．解題技巧(1)“定一議二”原則在化學(xué)平衡圖像中，了解縱軸、橫軸和曲線所表示的三個(gè)物理量的意義。在確定橫軸所表示的物理量后，討論縱軸與曲線的關(guān)系，或在確定縱軸所表示的物理量后，討論橫軸與曲線的關(guān)系。如反應(yīng)2A(g)＋B(g)eq\a\vs4\al(eq\a\vs4\al())2C(g)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，A的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系如圖1所示[縱軸為A的平衡轉(zhuǎn)化率(α)，橫軸為反應(yīng)溫度(T)]。定壓看溫度變化，升高溫度曲線走勢(shì)降低，說(shuō)明A的轉(zhuǎn)化率降低，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。定溫看壓強(qiáng)變化，因?yàn)榇朔磻?yīng)是反應(yīng)后氣體體積減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，A的轉(zhuǎn)化率增大，故p2>p1。(2)“先拐先平數(shù)值大”原則對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)在化學(xué)平衡圖像中，先出現(xiàn)拐點(diǎn)的反應(yīng)先達(dá)到平衡狀態(tài)，相應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率大，所以先出現(xiàn)拐點(diǎn)的曲線表示的溫度較高(如圖2所示，α表示反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率)或壓強(qiáng)較大[如圖3所示，φ(A)表示反應(yīng)物A的體積分?jǐn)?shù)]。圖2：T2>T1，正反應(yīng)放熱。圖3：p1<p2，正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)。(3)三看解析法一看反應(yīng)速率是增大還是減??；二看v正、v逆的相對(duì)大??；三看化學(xué)平衡移動(dòng)的方向。有一化學(xué)平衡mA(g)＋nB(g)?pC(g)＋qD(g)，如圖表示的是A的轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)、溫度的關(guān)系。下列敘述正確的是()A．ΔH>0，ΔS>0B．ΔH<0，ΔS>0C．ΔH>0，ΔS<0D．ΔH<0，ΔS<0【答案】由圖象知壓強(qiáng)越大,A的轉(zhuǎn)化率越高,故m+n>p+q,故為△S<0;溫度越高,A的轉(zhuǎn)化率越大,則正反應(yīng)為吸熱反應(yīng),故△H>0。答案:故選:C。合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，NH3的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，據(jù)此解析合成氨工業(yè)中最有前途的研究方向是()A．提高分離技術(shù)B．研制耐高壓的合成塔C．研制低溫催化劑D．探索不用N2和H2合成氨的新途徑【答案】C【解析】解：A、現(xiàn)在分離氨氣的技術(shù)已趨于成熟，故A與題意不符；B、生產(chǎn)設(shè)備不能承受那么大的壓強(qiáng)，產(chǎn)生壓強(qiáng)所需的動(dòng)力、能源又是限制壓強(qiáng)的因素，故B與題意不符;C、目前所用催化劑鐵觸媒活性最好時(shí)的溫度約為400～500°C,如能研制出低溫催化劑，將大大提高氨的產(chǎn)率，且節(jié)約了能源，故C與題意相符；D、探索合成氨的新途徑不一定會(huì)成功，不一定會(huì)有前途，故D與題意不符；故選C。在合成氨反應(yīng)中使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是()A.都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡無(wú)影響B(tài).都對(duì)化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有施加高壓對(duì)化學(xué)平衡有影響D.使用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，而施加高壓無(wú)此效果【答案】C【解析】對(duì)于反應(yīng)N?(g)+3H?(g)?2NH?(g),，使用催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng).施加高壓既能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成.?NH?的方向移動(dòng).故答案為C.1．4.合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的放熱反應(yīng)。合成氨工業(yè)的生產(chǎn)流程如圖所示。下列關(guān)于合成氨工業(yè)的說(shuō)法中不正確的是

A.將混合氣體進(jìn)行循環(huán)利用符合綠色化學(xué)思想B.合成氨反應(yīng)需在低溫下進(jìn)行C.對(duì)原料氣進(jìn)行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率D.使用催化劑可以提高反應(yīng)速率，但不能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)【答案】B【解析】答案:B。解:A、混合氣進(jìn)行循環(huán)利用可以節(jié)約能源、提高原料的利用率，遵循綠色化學(xué)思想，故A正確;B、降低溫度，反應(yīng)速率減慢，為保證速率較快，催化劑的活性高，產(chǎn)物的產(chǎn)率又不低，則選擇適宜的溫度即可，不能在低溫下進(jìn)行，故B錯(cuò)誤;C、對(duì)原料氣進(jìn)行壓縮，即增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，可以增大原料氣的轉(zhuǎn)化率，故C正確;D、催化劑的特點(diǎn):能改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率，而不改變化學(xué)平衡，故使用催化劑可以提高反應(yīng)的速率，但是不能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故D正確;故選B。答案為B2.二甲醚(DME)被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”，由合成氣制備二甲醚的主要原理如下：(CO(g)+2H?(g)D[CH?OH(g)△H?=-90.7kJ?mol1②2CH?OH(g)]CCH?OCH?(g)+H?O(g)△H?=-23.5kJmo1-1③CO(g)+H?O(g)][CCO?(g)+H?(g)ΔH?=-41.2kJ?mol?1回答下列問題：(1)反應(yīng)3H?(g)+3CO(g)-CH?OCH?(g)+CO?(g)的△H=kJmol?1.下列措施中，能提高CH?OCH?產(chǎn)率的有_(填字母)。A.使用過量的COB.升高溫度C.增大壓強(qiáng)(2)反應(yīng)③能提高CH?OCH?的產(chǎn)率，原因是。(3)將合成氣以n(H2)n(CO)=2通入1L的反應(yīng)容器中，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：4H?(g)+2CO(g)CH?OCH?(g)+H?O(g)△H,則CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強(qiáng)變化關(guān)系如圖所示，下列說(shuō)法正確的是(A.△H<0B.p1<p2<p?C.若在p?和316°C時(shí)，起始時(shí)

n(H2)n(【答案】答案:(1)-246.1AC(2)反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②的H?O(g),有利于反應(yīng)②正向進(jìn)行，同時(shí)生成了H?(3)A已知合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：①-②2+③+由蓋斯定律可知，通過①×2+②+③可得所求反應(yīng)方程式：3H?g+3COg?CH?OCH?g+CO?g,則△H=2△H?+△H?+△平衡正移，能提高CH?OCH?故答案為:AC;(3)反應(yīng)消耗了H?Og)有利于反應(yīng)②時(shí)此反應(yīng)生成了.H?,，有利于反應(yīng)①正向移動(dòng)，故反應(yīng)③能提高(CH故答案為：反應(yīng)消耗了.H?Og有利于反應(yīng)②正向移動(dòng)；同時(shí)此反應(yīng)生成了.H?,(4)A.由圖可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，隨溫度升高co的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故△H<0,故A正確；B.正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，co的轉(zhuǎn)化率增大，所以P?>P?>P4．氫氣是一種理想的綠色能源。利用生物質(zhì)發(fā)酵得到的乙醇制取氫氣，具有良好的應(yīng)用前景。乙醇水蒸氣重整制氫的部分反應(yīng)過程如下圖所示：已知：反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)隨溫度變化曲線如圖所示。(1)①試說(shuō)明反應(yīng)Ⅰ能否發(fā)生自發(fā)反應(yīng).②反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ達(dá)平衡后，若在恒溫恒壓條件下，向體系中充入N?，CO的體積分?jǐn)?shù)會(huì)(填“上升”“不變”或“下降”)。(2)反應(yīng)Ⅱ,在進(jìn)氣比|nCO:nH?(各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度可能相同，也可能不同)①圖1中D、E兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度分別為I?和7?,判斷：T0ˉT1(②經(jīng)解析計(jì)算，A、E和G三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度相同，理由是。③在圖2中，畫出D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)溫度下CO平衡轉(zhuǎn)化率隨進(jìn)氣比nCO【答案】(1)①反應(yīng)Ⅰ:CH?CH?OHg+H?Og=2COg+4H?g,ΔS>0,根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系可知△H>0,【解析】(1)②在恒溫恒壓條件下，向體系中充入1N?相當(dāng)于增大了容器的體積，有利于反應(yīng)Ⅰ正向移動(dòng)，反應(yīng)Ⅱ平衡不移動(dòng)，CO的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增大。相似文檔261COg+H?OgCO?g+H?g△H<0,反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率減小，圖1中D、E②E點(diǎn)時(shí):CO起始量1100變化量0.50.50.50.5平衡量0.50.50.50.5E點(diǎn)平衡常數(shù)kA點(diǎn)時(shí):CO起始量1200變化量0.6670.6670.6670.667平衡量0.3331.3330.6670.667A點(diǎn)平衡常數(shù)K≈1G點(diǎn)時(shí):CO起始量3200變化量1.21.21.21.2平衡量1.80.81.21.2G點(diǎn)平衡常數(shù)k經(jīng)計(jì)算，A、E、G三點(diǎn)平衡常數(shù)相同，故反應(yīng)溫度相同。5.11．煤氣化的一種方法是在氣化爐中給煤炭加氫，發(fā)生的主要反應(yīng)為：C(s)＋2H2(g)?CH4(g)。在VL的容器中投入amol碳(足量)，同時(shí)通入2amolH2，控制條件使其發(fā)生上述反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得碳的平衡轉(zhuǎn)化率隨壓力及溫度的變化關(guān)系如圖所示。下列說(shuō)法正確的是()A．上述正反應(yīng)為放熱反應(yīng)B．在4MPa,1200K時(shí)，圖中X點(diǎn)v正(H2)＞v逆(H2)C．在5MPa,800K時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為eq\f(V2,a2)D．工業(yè)上維持6MPa,1000K而不采用10MPa,1000K，主要是因?yàn)榍罢咛嫉霓D(zhuǎn)化率高【答案】B【解析】觀察題圖，溫度越高，碳的平衡轉(zhuǎn)化率越大，平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，A錯(cuò)誤；X點(diǎn)處于未平衡時(shí)，反應(yīng)正向進(jìn)行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，B正確；在5MPa，800K時(shí)，碳的平衡轉(zhuǎn)化率為50%。C(s)＋2H2(g)eq\a\vs4\al(eq\a\vs4\al())CH4(g)起始量(mol)a2a轉(zhuǎn)化量(mol)0．5aa0．5a平衡量(mol)0．5aa0．5aK＝eq\f(\f(0.5a,V),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,V)))2)＝eq\f(0.5V,a)，C錯(cuò)誤；選擇該條件的