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高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控学案设计
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这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控学案设计，共7页。学案主要包含了合成氨反应的限度，工业合成氨的适宜条件等内容，欢迎下载使用。
一、合成氨反应的限度、速率
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，ΔS＝－198.2 J·ml－1·K－1。
(1)可逆性：反应为可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
二、工业合成氨的适宜条件
1．工业合成氨的适宜条件
2.问题讨论
(1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在10～30 MPa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、需要的动力越大。
(2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是：
①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。
②400～500_℃催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。
微点拨：工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)充入的N2越多越有利于NH3的合成。(×)
(2)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。(×)
(3)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。(×)
(4)合成氨反应只有在催化剂的条件下才能增加转化率。(×)
2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是( )
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D．采用2×107～5×107 Pa的压强
B [把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，较低温度利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。]
3．合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。
(1)X的化学式为________。
(2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。
A．温度、压强对化学平衡的影响
B．铁触媒在该温度时活性大
C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
(3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是__________，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是________(填字母编号)。
[解析] (1)原料气N2和H2经一定条件下的反应，生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。(2)温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20～50 MPa是从化学平衡理论分析的，压强越大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)考查压强、温度对化学平衡的影响。
[答案] (1)NH3 (2)B、C (3)c a
自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。
[问题1] 工业生产中增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？
提示：不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，一般采用10～30 MPa。
[问题2] 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？
提示：不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500 ℃左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。
[问题3] 在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？
提示：为了加快反应速率，采用以铁为主的催化剂。
1．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是( )
A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大
B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量
C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2
D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同
A [当氮气和氢气投料比为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。]
2．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )
A．铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高
C [催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强能加快反应速率，缩短到达平衡状态所用的时间，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。]
1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤D．②③④
B [②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。]
2．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( )
A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
B [合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误，B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择20～50 MPa，D项错误。]
3．工业合成氨N2＋3H22NH3 ΔH<0的生产条件选择中，能用勒夏特列原理解释的是( )
①使用催化剂 ②高温 ③高压
④及时将氨气液化从体系中分离出来
A．①③B．②③
C．③④D．②④
C [使用勒夏特列原理，研究的对象是可逆反应，以及改变某因素平衡向削弱这方面移动，①催化剂对化学平衡无影响，故①错误；②正反应方向是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，不利于生成氨气，故②错误；③增大压强，有利于向正反应方向进行，故③正确；④从体系中分离出氨气，减少生成物浓度，有利于向氨气生成的方向进行，故④正确。]
4．合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]Ac(正反应为放热反应)。
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是_____________。
(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是_______________________。
[解析] (1)醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。
[答案] (1)低温、高压 (2)高温、低压发展目标
体系构建
1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2.知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。
条件
提高反应速率
提高平衡转化率
综合结果
压强
高压
高压
高压
温度
高温
低温
兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂
使用
无影响
使用
浓度
增大反应物浓度
增大反应物浓度，降低生成物浓度
增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa)
温度
适宜温度，400～500 ℃
催化剂
使用铁触媒做催化剂
浓度
N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
工业上选择适宜生产条件的原则
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
外界
条件
有利于加快速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH＜0
低温
兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞0
高温
在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强
高压(有气体参加)
Δνg＜0
高压
在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δνg＞0
低压
兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
一、合成氨反应的限度、速率
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，ΔS＝－198.2 J·ml－1·K－1。
(1)可逆性：反应为可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
二、工业合成氨的适宜条件
1．工业合成氨的适宜条件
2.问题讨论
(1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在10～30 MPa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、需要的动力越大。
(2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是：
①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。
②400～500_℃催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。
微点拨：工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)充入的N2越多越有利于NH3的合成。(×)
(2)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。(×)
(3)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。(×)
(4)合成氨反应只有在催化剂的条件下才能增加转化率。(×)
2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是( )
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D．采用2×107～5×107 Pa的压强
B [把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，较低温度利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。]
3．合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。
(1)X的化学式为________。
(2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。
A．温度、压强对化学平衡的影响
B．铁触媒在该温度时活性大
C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
(3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是__________，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是________(填字母编号)。
[解析] (1)原料气N2和H2经一定条件下的反应，生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。(2)温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20～50 MPa是从化学平衡理论分析的，压强越大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)考查压强、温度对化学平衡的影响。
[答案] (1)NH3 (2)B、C (3)c a
自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1000吨的大型装置。
[问题1] 工业生产中增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？
提示：不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，一般采用10～30 MPa。
[问题2] 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？
提示：不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500 ℃左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。
[问题3] 在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？
提示：为了加快反应速率，采用以铁为主的催化剂。
1．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是( )
A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大
B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量
C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2
D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同
A [当氮气和氢气投料比为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决起始量和转化率，所以到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。]
2．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )
A．铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高
C [催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强能加快反应速率，缩短到达平衡状态所用的时间，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。]
1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤D．②③④
B [②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。]
2．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( )
A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
B [合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误，B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择20～50 MPa，D项错误。]
3．工业合成氨N2＋3H22NH3 ΔH<0的生产条件选择中，能用勒夏特列原理解释的是( )
①使用催化剂 ②高温 ③高压
④及时将氨气液化从体系中分离出来
A．①③B．②③
C．③④D．②④
C [使用勒夏特列原理，研究的对象是可逆反应，以及改变某因素平衡向削弱这方面移动，①催化剂对化学平衡无影响，故①错误；②正反应方向是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，不利于生成氨气，故②错误；③增大压强，有利于向正反应方向进行，故③正确；④从体系中分离出氨气，减少生成物浓度，有利于向氨气生成的方向进行，故④正确。]
4．合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]Ac(正反应为放热反应)。
(1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是_____________。
(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是_______________________。
[解析] (1)醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。
[答案] (1)低温、高压 (2)高温、低压发展目标
体系构建
1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2.知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。
条件
提高反应速率
提高平衡转化率
综合结果
压强
高压
高压
高压
温度
高温
低温
兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂
使用
无影响
使用
浓度
增大反应物浓度
增大反应物浓度，降低生成物浓度
增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa)
温度
适宜温度，400～500 ℃
催化剂
使用铁触媒做催化剂
浓度
N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
工业上选择适宜生产条件的原则
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
外界
条件
有利于加快速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH＜0
低温
兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞0
高温
在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强
高压(有气体参加)
Δνg＜0
高压
在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δνg＞0
低压
兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
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