第四節(jié)

化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控課程目標(biāo)1.

認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)

研究中的重要作用。2.以工業(yè)合成氨為例，能從反應(yīng)限度、反應(yīng)速率等角度對化學(xué)反

應(yīng)和化工生產(chǎn)條件綜合分析。3.

知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要

意

義

。圖說考點N?(g)+3H?(g)

2NH?(g)△H=-92.4kJ/mol高溫高壓增大反應(yīng)物濃度使用催化劑工業(yè)合成氨的條件：

鐵觸媒、400~500℃、

10~30MPa低溫高壓

增大反應(yīng)

物濃度化學(xué)平衡角度(轉(zhuǎn)化率)案

例化學(xué)

反應(yīng)

的調(diào)控反應(yīng)

速率

角度基

礎(chǔ)

知

識[新知預(yù)習(xí)]一

、合成氨反應(yīng)的特點1.

合成氨反應(yīng)的特點(1)反應(yīng)N?(g)+3H?(g)2NH?(g)△H=—92.4kJ·mol?1。(2)特點①

放

熱反應(yīng)(△H<_0);②熵_

減小的反應(yīng)(△S

<

0),

即反應(yīng)過程中氣體分子總數(shù)

減小

的反應(yīng)；③可逆反應(yīng)。對合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨

的反應(yīng)速率增大反應(yīng)物濃

度升高

溫度增大壓強(qiáng)使用催化劑提高平衡混合

物中氨的含量增大反應(yīng)物濃度降低溫度增大壓強(qiáng)—

—2.

理論分析根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混

合物中氨的含量，應(yīng)選擇的反應(yīng)條件如表所示：二、條件選擇1.

壓強(qiáng)(1)理論分析：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)備的制造要求也越高，需要的動力也越大

，這將

會大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。(2)實際選擇：我國的合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為1

0～30_

MPa。2.

溫度(1)理論分析：根據(jù)平衡移動原理，合成氨應(yīng)該采用低溫以提高平

衡轉(zhuǎn)化率。實驗數(shù)據(jù)也說明了這一點(如圖)。但是，溫度降低會使化

學(xué)反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡所需時間變長，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)溫度/℃10

MPa下平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化示意圖(2)實際選擇：在實際生產(chǎn)中一般采用的溫度為400～500℃。濟(jì)

的

。3.

催化劑(1)目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的

多成分催化劑)。(2)催化原理：改變反應(yīng)歷程，降低

反應(yīng)的活化能，如圖所示：E↑無催化劑EE?

有催化劑N?和

H?NH?0

反應(yīng)過程(3)鐵觸媒在500℃左右時的活性

_最大，這也是合成氨反應(yīng)一

般選擇400～500℃進(jìn)行的重要原因。[即時性自測]1.判斷正誤，正確的打“

√

”,錯誤的打“×”(1)合成氨反應(yīng)放熱，因此溫度應(yīng)盡可能低。(×)(2將氨氣液化分離移走，可提高合成氨轉(zhuǎn)化率。(

√)(3)使用鐵觸媒作催化劑既可提高合成氨的反應(yīng)速率，又可提高氨

氣的產(chǎn)率。(×

)(4)合成氨反應(yīng)一般選擇400～500

℃進(jìn)行的重要原因之一為該溫度下催化劑活性好。(

√

)2.下列有關(guān)以H?

和

N?為原料氣的工業(yè)合成氨反應(yīng)的說法不正確的是(

)A.

屬于放熱反應(yīng)B.

△S>0C.

屬于可逆反應(yīng)D.

在恒容容器中反應(yīng)，壓強(qiáng)逐漸減小解析：工業(yè)合成氨反應(yīng)為N?(g)+3H?(g)2NH

?(g)△H=-92.4kJ/mol,該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，A項正確；該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，則△S<0,B項錯誤；H?和N?合成

NH?的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，C

項正確；

建立平衡的過程中，氣體分子數(shù)逐漸減小，容器內(nèi)壓強(qiáng)逐漸減小，D

項正

確。答案：B3.已知298K時，合成氨反應(yīng)N?(g)+3H?(g)2NH?(g)△H=

—92.4kJ.mol?1,

將此溫度下的1mol

N?和3mol

H?放在一密閉容器

中，在催化劑存在條件下進(jìn)行反應(yīng)，測得反應(yīng)放出的熱量(忽略能量損

失)(A.

一定大于92.4kJ

B.一定等于92.4kJC.

一定小于92.4kJ

D.

不能確定解析：由合成氨的熱化學(xué)方程式可知，1mol

N?和3mol

H?完全反應(yīng)，放出92.4kJ

熱量，而合成氨反應(yīng)為可逆反應(yīng)，故1mol

N?和3mol

H?不可能完全反應(yīng)，則達(dá)到平衡時，放出的熱量小于92.4kJ,C

項正確。答案：C4.

工業(yè)合成氨中，下列措施有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率的是(

)A.

升高溫度B.

從體系中分離出氨C.

使用催化劑D.

恒溫恒容下，充入稀有氣體解析：合成氨反應(yīng)的△H<0,升溫，平衡向NH?

分解的方向移動，平

衡轉(zhuǎn)化率減小，

A項不符合要求；從體系中分離出氨，可降低混合氣體中NH?的含量，從而使平衡向生成NH?的方向移動，平衡轉(zhuǎn)化率增大，

B項

符合要求；使用催化劑只能增大合成氨的反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡，

平衡轉(zhuǎn)化率不變，

C

項不符合要求；恒溫恒容下，充入稀有氣體，不能改

變反應(yīng)體系中H?

、N?

、NH?

的濃度，平衡不移動，則平衡轉(zhuǎn)化率不變，

D

項不符合要求。答案：B壓強(qiáng)/MPaN

H?

的含量/%溫度/℃0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.45.

下表所列實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強(qiáng)下達(dá)到平衡狀態(tài)時，混

合物中NH?

的含量(體積分?jǐn)?shù))的變化情況[投料比V(N?):V(H?)=1:3]。(1)比較200

℃和300

℃時的數(shù)據(jù)，可判斷出升高溫度，平衡向逆反應(yīng)(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動，合成氨的正反應(yīng)為

放熱

(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C

(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℃

、30

MPa時，N?

的轉(zhuǎn)化率為41.77%。(4)工業(yè)上實際生產(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：加入過量N?(或H?)(或及時從平衡體系中移走NH?)解

析：(1)表中數(shù)據(jù)表明：恒壓時，升高溫度，

NH?

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)。(2)由反應(yīng)N?(g)+3H?(g)2NH?(g)△H<0

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。(3)假設(shè)N?的用量為1mol,H?的用量為3mol,N?的消耗量為x

mol,

則：(4)增大反應(yīng)物濃度或降低生成物濃度均有利于平衡向正反應(yīng)方向移

動。N?(g)+3H?(g)3X3x

1—x

3-3x初始量/mol

轉(zhuǎn)化量/mol

平衡量/mol2NH?(g)02x

2x平衡時

NH?的

含

量

為x≈0.4177,

則技

能

素

養(yǎng)提升點

工業(yè)生產(chǎn)的條件選擇及解析[例]

哈伯發(fā)明用氮氣和氫氣合成氨的方法，獲得了1918年諾貝

爾化學(xué)獎。其原理為N?(g)+3H?(g)2NH?(g)△H<0,△S

<

(填

“>”“<”或“=”)0。(1)下列關(guān)于工業(yè)合成氨的說法不正確的是

ABC(填標(biāo)號)。A.

因為△H<0,

所以該反應(yīng)一定能自發(fā)進(jìn)行B.采用高壓是為了增大反應(yīng)速率，但會使反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低C.在高溫下進(jìn)行是為了提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率D.

使用催化劑增大反應(yīng)速率是因為催化劑降低了反應(yīng)的活化能(2)在恒溫恒容密閉容器中進(jìn)行合成氨的反應(yīng)，下列能說明該反應(yīng)

已達(dá)到平衡狀態(tài)的是

bc

(填標(biāo)號)。a.容器內(nèi)N?

、H?

、NH?

的濃度之比為1:3:2b.37

正(N?)=7

逆(H?)c.容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變d.

混合氣體的密度保持不變請用平衡移動原理解釋在工藝流程中及時分離出氨氣和將NH?分離后的原料氣循環(huán)使用的原因_減小生成物的濃度，可使平衡正向移動，提高產(chǎn)率；將

NH?分離后的原料氣循環(huán)利用可提高原料的利用率(3)工業(yè)上合成氨的部分工藝流程如圖：循壞氣體催化劑高溫、高壓混合氣液氨干

燥

、

凈化

加壓N?H?N?、H?(4)某科研小組研究在其他條件不變的情況下，改變起始時氫氣的

物質(zhì)的量對工業(yè)合成氨反應(yīng)的影響。實驗結(jié)果如圖所示(圖中T

表示溫

度，n表示H?的物質(zhì)的量)。起

始

時n(H?)/moL①圖中

T?和

T?的關(guān)系：

T?_<(填“>”“<”或“=”)T?

。

②a、b、c、d

四點所處的平衡狀態(tài)中，N?的轉(zhuǎn)化率最高的是

c

(填字母)。①此條件下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=0.1

_o②若維持容器容積不變，溫度不變，向原平衡體系中加入H?

、N?

和

NH?

各4mol,

化學(xué)平衡將向_逆(填“正”或“逆”)反應(yīng)方向

移

動

。(6)已知：N?(g)+3H?(g)

2NH?(g)△H=—92.4kJ·mol?1N?(g)+O?(g)===2NO(g)△H=+181kJ·mol?12H?(g)+O?(g)===2H?O(g)△H=-483.6

kJ·mol?1(5)恒溫下，向一個4L的密閉容器中充入5.2mol

H?

和2mol

N?,

反應(yīng)過程中對NH?

的濃度進(jìn)行測定，得到的數(shù)據(jù)如表所示：時間/min51015202530c(NH?)/(mol

·L-1)0.080.140.180.200.200.20寫

出

氨

氣

催

化

氧

化

生

成

NO4NH?(g)+5O?(g)===4NO(g)+6H?O(g)和水蒸氣的熱化學(xué)方程式△H=—904

kJ·mol-1

O解析：合成氨反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，故為熵減反應(yīng)，即△S<0。(1)由

△G=△H一T△S<0

可知，該反應(yīng)需在一定溫度下才能自發(fā)進(jìn)行，

A

項錯誤；該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，因此高壓可提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化

率

，B項錯誤；該反應(yīng)的△H<0,

升溫使平衡逆向移動，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率

降低，C

項錯誤；催化劑可改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)活化能，

D項正確。

(2a

項，容器中N?

、H?

、NH?

的濃度之比為1:3:2是反應(yīng)可能達(dá)到的一個

特殊狀態(tài)，與該反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)無關(guān)；b

項，由化學(xué)方程式可知，v(H?)=3v(N?),則由

3

7

正(N?)=7逆(H?)可知，7正(H?)=0逆(H?),說

明

該

反

應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；c

項，該反應(yīng)達(dá)到平衡前，壓強(qiáng)逐漸減小，則容器內(nèi)壓

強(qiáng)保持不變說明該反應(yīng)達(dá)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(zhì)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(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志。(3)及時分離出氨氣，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

NH?

分離后的原料氣循環(huán)利用可提高原料的利用率。(4①

達(dá)到平衡時，T?時

NH?

的體積分?jǐn)?shù)大于

T?時

NH?

的體積分?jǐn)?shù)，則

T?<T?。②增大H?

的物質(zhì)的量，可提高

N?的轉(zhuǎn)化率，則

c

點的N?轉(zhuǎn)化率最高。(5)①由表中數(shù)據(jù)可知，達(dá)到平衡時，

c(NH?)=0.20mol·L?1,則：N?(g)+3H?(g)2NH?(g)起始量/mol轉(zhuǎn)化量/mol平衡量/mol平衡濃度/(mol·L?1)平衡常數(shù)4.01.00.200.80.81.60.4②向原平衡體系中加入4

mol

N?

、4

mol

H?

、4

mol

NH?,

則

c(N?)=,c(NH?)故化學(xué)平衡逆向移動。(6)已知的3個反應(yīng)，從上至下依次標(biāo)記為①、②、③,根據(jù)蓋斯定律，由②×2+③×3

-

①×2得4NH?(g)+5O?(g)===4NO(g)+6H?O(g)△H=+181

kJ·mol?1×2+(一483.6

kJ·mol?1×3—(-92.4kJ·mol?1)×2=-904

kJ·mol?1。第

(1

)

2

)問第(3)問第(4)問第(5)問

第

(

6

問化學(xué)平衡

移動原理

圖像信息

表格信息

蓋斯定律信息調(diào)取狀元隨筆壓強(qiáng)/MPa轉(zhuǎn)化率/%溫度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4是一個關(guān)鍵步驟。不同壓強(qiáng)和溫度下，反應(yīng)達(dá)到平衡時，SO?率如表所示(原料氣各成分的體積分?jǐn)?shù)為SO?:7%O?:11%

82%)。[提升]

工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時，利用催化氧化反應(yīng)將

SO?轉(zhuǎn)化為SO?的轉(zhuǎn)化N?:(1)SO?的氧化反應(yīng)是放熱(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。(2根據(jù)表中信息，你認(rèn)為工業(yè)上將

SO?轉(zhuǎn)化為

SO?的適宜條件是1MPa、400～500℃(3)選擇適宜的催化劑，是否可以提高

SO?的轉(zhuǎn)化率?

否

(填“是”或“否”)。(4)若保持溫度和容積不變，平衡后通入氧氣，再達(dá)平衡時則

SO?

的濃度_

減

小(填“增大”或“減小”)。(5)若保持溫度和壓強(qiáng)不變，平衡后通入He,SO?

的含量

減

小(填“增大”或“減小”)。解析：(1)由表中數(shù)據(jù)可知，壓強(qiáng)一定時，升高溫度，SO?的平衡轉(zhuǎn)化

率降低，說明升高溫度，平衡逆向移動，因此二氧化硫的氧化反應(yīng)是放熱

反應(yīng)；(2)400～500℃時，SO?的轉(zhuǎn)化率都比較高，適當(dāng)升高溫度雖然會

犧牲一些SO?的轉(zhuǎn)化率，但是可以顯著增大反應(yīng)速率；壓強(qiáng)越大，

SO?的

轉(zhuǎn)化率越高，但是10MPa

對生產(chǎn)設(shè)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1

MPa

即可；(3)催化劑不改變平衡移動，

因此不能提高SO?的轉(zhuǎn)化率；(4)通入氧氣相當(dāng)于提高反應(yīng)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(qiáng)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。[關(guān)鍵能力]工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)條件的優(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

際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)運用對立統(tǒng)一規(guī)律，綜合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡規(guī)律，既

考慮反應(yīng)進(jìn)行的快慢，又考慮反應(yīng)的限度，在這個過程中還要堅持以下三

個原則

：(1)既要注意外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又

要注意對二者影響的矛盾性。(2)既要注意溫度、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意

催化劑的活性對溫度的要求。(3)既要注意理論上的需要，又要考慮實際生產(chǎn)(如設(shè)備條件、安全操

作、經(jīng)濟(jì)成本等)的可能性。2.

化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化的基本思路(1)從可逆性、反應(yīng)前后氣體體積的變化、焓變、反應(yīng)的方向四個

角度分析反應(yīng)的特點。(2)根據(jù)反應(yīng)特點具體分析外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)限度

的影響；從化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)限度