第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控1．能運(yùn)用濃度、壓強(qiáng)、溫度和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的影響規(guī)律，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。2．針對典型案例，能從限度、速率等角度對化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析。3．通過反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，養(yǎng)成多角度綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率的習(xí)慣，形成綠色化學(xué)的觀念。一、合成氨反應(yīng)的原理分析合成氨反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K時：ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。二、工業(yè)合成氨的適宜條件1．壓強(qiáng)(1)原理分析和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析均表明，合成氨時壓強(qiáng)越大越好，但是，壓強(qiáng)越大，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，需要的動力越大，將會大大增加生產(chǎn)投資，降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。(2)目前，我國的合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10MPa～30MPa。2．溫度(1)根據(jù)平衡移動原理，合成氨應(yīng)該采用低溫(填“低溫”或“高溫”)以提高平衡轉(zhuǎn)化率。溫度降低，化學(xué)反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡所需時間變長，經(jīng)濟(jì)效益下降。(2)在合成氨實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用的溫度為400～500℃3．催化劑(1)通常采用加入催化劑的方法，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時能較快地進(jìn)行反應(yīng)。(2)合成氨工業(yè)中普遍使用鐵觸媒為催化劑，在500℃4．濃度(1)采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去，以促使平衡向生成氨的方向移動。(2)將分離NH3后的原料氣進(jìn)行循環(huán)使用，并及時補(bǔ)充N2和H2，以利于合成氨反應(yīng)的進(jìn)行。三、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控1．影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的因素(1)內(nèi)因：參加反應(yīng)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等本身因素。(2)外因：有溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑等外界條件。2．化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控(1)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控，就是通過改變反應(yīng)條件使一個可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行。(2)在實(shí)際生產(chǎn)中常常要結(jié)合設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟(jì)成本等情況，綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找一個適宜的生產(chǎn)條件。(3)要根據(jù)環(huán)境保護(hù)及社會效益等方面的規(guī)定和要求做出分析，權(quán)衡利弊，才能實(shí)施生產(chǎn)。工業(yè)上選擇適宜生產(chǎn)條件的原則自1754年發(fā)現(xiàn)氨以后，人們一直在研究如何利用化學(xué)方法由氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?，但直?913年才實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)過研究人員的努力，幾十年后建造了日產(chǎn)氨1000噸的大型裝置?；顒?實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)(k為速率常數(shù)，只與溫度有關(guān))，請你根據(jù)該關(guān)系式分析，各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？提示：由合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率公式可知，在一定溫度、壓強(qiáng)下，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比關(guān)系，與生成物濃度[c(NH3)]成反比關(guān)系。因此，在一定溫度、壓強(qiáng)下，可采取增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度的措施來提高化學(xué)反應(yīng)速率。另外還可采取升高溫度，使用合適的催化劑降低反應(yīng)活化能的措施來提高反應(yīng)速率?；顒?已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－92.2kJ·mol－1，K＝6.6×105，思考：(1)從平衡常數(shù)來看，反應(yīng)的限度已經(jīng)很大了，為什么還需要使用催化劑？提示：為了增大化學(xué)反應(yīng)速率，提高單位時間內(nèi)NH3的產(chǎn)量。(2)試分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中采取500℃提示：在500℃1．工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0的生產(chǎn)條件選擇中能用勒夏特列原理解釋的是()①使用催化劑②高溫③高壓④及時將氨液化從體系中分離出來A．①③ B.②③C．③④ D.②④C解析：使用勒夏特列原理，研究的對象是可逆反應(yīng)，以及改變某因素平衡向減弱這方面移動，①催化劑對化學(xué)平衡無影響，故①錯誤；②正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，不利于生成氨，故②錯誤；③增大壓強(qiáng)，有利于向生成物的方向進(jìn)行，故③正確；④從體系中分離出氨，減少生成物濃度，有利于向氨生成的方向進(jìn)行，故④正確。2．用CO2合成甲醇時可選用亞鉻酸鋅(ZnCr2O4)或CuCl為催化劑。工業(yè)制備亞鉻酸鋅是用CO還原ZnCrO4·H2O，同時生成ZnO。以亞鉻酸鋅為催化劑時，工業(yè)上的適宜溫度是350～420℃解析：催化劑一般有溫度使用條件，保證其活性最大，反應(yīng)速率最大，催化效果最好。答案：此時催化劑亞鉻酸鋅的活性最大3．將CH4轉(zhuǎn)化成CO，工業(yè)上常采用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，反應(yīng)原理為2CH4(g)＋3O2(g)2CO(g)＋4H2O(g)ΔH＝－1038kJ·mol－1。工業(yè)上要選擇合適的催化劑，分別對X、Y、Z三種催化劑進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)(其他條件相同)：①X在750℃時催化效率最高，能使正反應(yīng)速率加快約3×105倍；②Y在600℃時催化效率最高，能使正反應(yīng)速率加快約3×105倍；③Z在440℃時催化效率最高，能使逆反應(yīng)速率加快約1×106倍；根據(jù)上述信息，你解析：正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，不利于甲烷轉(zhuǎn)化為CO，因此選擇Z催化劑，因?yàn)閆催化效率高且活性溫度低，節(jié)能。答案：ZZ催化效率高且活性溫度低，節(jié)能(或催化活性高、速度快，反應(yīng)溫度低)4．合成氨工業(yè)的原料氣中含有少量CO，CO會使催化劑失去催化能力(催化劑中毒)，因此，在進(jìn)入合成塔前必須將其除去。一般用醋酸二氨合銅溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)為Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3(1)醋酸二氨合銅吸收CO的適宜條件是____________________________。(2)吸收CO后的醋酸銅氨溶液經(jīng)過處理后可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，醋酸銅氨溶液再生的適宜條件是________。解析：(1)醋酸二氨合銅吸收CO反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，降低溫度或增大壓強(qiáng)平衡向吸收CO的方向移動，故應(yīng)采用低溫、高壓作為生產(chǎn)條件。(2)放出CO的反應(yīng)正好和吸收CO的反應(yīng)相反，應(yīng)采用高溫、低壓作為生產(chǎn)條件。答案：(1)低溫、高壓(2)高溫、低壓5．298.15K時，N2、H2與NH3的平均能量與合成氨反應(yīng)活化能的曲線圖如圖所示，據(jù)圖回答下列問題：(1)若反應(yīng)中生成2mol氨，則反應(yīng)________(填“吸熱”或“放熱”)________kJ。(2)圖中曲線________(填“a”或“b”)表示加入鐵觸媒的能量變化曲線，鐵觸媒能增大反應(yīng)速率的原理是________。(3)合成氨反應(yīng)中平衡混合物中氨氣的體積分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)、溫度的關(guān)系如下圖所示。若曲線c對應(yīng)的溫度為500℃A．600℃ B.C.500℃解析：(1)由圖中能量狀態(tài)可知1molN2與3molH2具有的總能量高于2NH3所具有的能量，故該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并且反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每生成2molNH3放出熱量(600－508)kJ＝92kJ。(2)合成氨反應(yīng)中，加入鐵觸媒后，由于改變了反應(yīng)歷程，使反應(yīng)的活化能降低，從而增大了反應(yīng)速率，故曲線b代表加催化劑后的能量變化曲線。(3)對于合成氨反應(yīng)，當(dāng)其他條件不變時，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)降低。圖像中，當(dāng)壓強(qiáng)不變時，曲線d對應(yīng)的溫度下平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)大于曲線c對應(yīng)的NH3的體積分?jǐn)?shù)，所以曲線d對應(yīng)的溫度低于曲線c對應(yīng)的溫度。答案：(1)放熱92(2)b改變了反應(yīng)的歷程，降低了合成氨反應(yīng)的活化能(3)D工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)從反應(yīng)限度和反應(yīng)速率兩個角度選擇生產(chǎn)的適宜條件，既要考慮盡量增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料，又要選擇較大的反應(yīng)速率，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量，同時還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。知識點(diǎn)1合成氨條件的選擇1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述中，可用勒夏特列原理來解釋的是()A．使用鐵觸媒，有利于N2和H2反應(yīng)合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)C．500℃D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率B解析：催化劑不影響平衡移動；合成氨采用500℃知識點(diǎn)2工業(yè)生產(chǎn)適宜條件的選擇2．據(jù)報道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氫氣合成乙醇已成為現(xiàn)實(shí)：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2下列敘述錯誤的是()A．使用Cu-Zn-Fe催化劑可大大提高生產(chǎn)效率B．由反應(yīng)需在300℃C．充入大量CO2氣體可提高H2的轉(zhuǎn)化率D．從平衡混合氣體中分離出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率B解析：B項(xiàng)，加熱可以增大化學(xué)反應(yīng)速率，放熱反應(yīng)也可能在加熱條件下進(jìn)行，故不正確。3．已知催化劑和反應(yīng)條件與反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性高度相關(guān)?？刂葡嗤读媳群拖嗤磻?yīng)時間，得到下列四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則用CO2生產(chǎn)甲醇的最優(yōu)條件為()實(shí)驗(yàn)編號溫度/K催化劑CO2的轉(zhuǎn)化率/%甲醇的選擇性/%A543Cu/ZnO納米棒12.342.3B543Cu/ZnO納米片11.972.7C553Cu/ZnO納米棒15.339.1D553Cu/ZnO納米片12.070.6B解析：分別對比A、B和C、D實(shí)驗(yàn)，使用Cu/ZnO納米片催化劑，甲醇的選擇性更高，對比B、D實(shí)驗(yàn)，溫度升高，CO2的轉(zhuǎn)化率升高，但甲醇的選擇性降低，用CO2生產(chǎn)甲醇的最優(yōu)選項(xiàng)為B。4．在一定條件下，合成氣發(fā)生如下兩個主要反應(yīng)：CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)Δ