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化学选择性必修1第四节 化学反应的调控导学案
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这是一份化学选择性必修1第四节 化学反应的调控导学案，共20页。学案主要包含了合成氨反应的原理分析，合成氨反应的数据分析，合成氨反应的条件调控，调控化学反应需考虑的问题等内容，欢迎下载使用。
第12讲化学反应的调控
知识导航
课前引入
钢铁生产是十七世纪从英国开始的第一次产业革命的两大产业之一。高炉炼铁的主要反应是：
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
其中CO的反应是
C+O2CO2 ①
CO2+C2CO ②
炼制1吨生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，且从高炉炉顶出来的气体中含有没有利用的CO气体。开始，炼铁工程师们认为是因为CO与铁矿石接触不充分，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的比例竟然没有改变。这成了炼铁技术中的科学悬念。有关人士一直在探究其中的原因，直到十九世纪下半叶，法国科学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一迷底解开。原来，产生上述现象的原因是反应②是一个可逆反应，并且至上而下发生在高炉中有焦炭的地方。后来的研究说明，在高炉中Fe2O3和CO反应也不能全部转化为Fe和CO2。
那么，有什么方法可以对化学反应进行调控，让其尽可能多地转化为目标产物呢？
知识精讲
一、合成氨反应的原理分析
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1
根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响
影响因素
浓度
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
二、合成氨反应的数据分析
下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。
温度/℃
氨的含量/%
0.1MPa
10MPa
20MPa
30MPa
60MPa
100MPa
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.20
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.40
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.10
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.50
9.1
13.8
23.1
31.4
思考与交流：合成氨的反应，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？
思考与交流：综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢?
三、合成氨反应的条件调控
工业合成氨的适宜条件
压强
10～30 MPa
温度
400～500 ℃
催化剂
铁触媒
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
思考与交流
（1）工业上合成氨为什么不采用更高压强？
（2）工业上合成氨为什么不采用更高温度？
【答案】（1）压强越大，对设备的要求越高、成本越高。
（2）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，催化剂活性减弱甚至失活。
四、调控化学反应需考虑的问题
1．反应限度：要考虑尽量增大反应物的__________，充分利用原料。
2．反应速率：要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。
3．生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。
【答案】转化率反应速率
对点训练
题型一：合成氨的条件调控
【例1】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
【答案】B
【变1-1】下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是
A．使用铁触媒，使和混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
【答案】B
【变1-2】（双选）（2020·河北石家庄市·正定中学高二开学考试）2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1。关于合成氨工艺的下列理解正确的是
A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B．控制温度(773K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
C．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行
【答案】AD
【例2】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)。
【答案】(1)NH3 (2)B、C (3)c a
【例3】（2020·全国高二课时练习）下表所列实验数据是在不同温度和压强下达到平衡状态时，混合物中的含量（体积分数）的变化情况[投料比
0.1
10
20
30
60
100
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.2
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.4
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.1
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.5
9.1
13.8
23.1
31.4
（1）比较200℃和300℃时的数据，可判断出升高温度，平衡向_____（填“正反应”或“逆反应”）方向移动，合成氨的正反应为_________（填“吸热”或“放热”）反应。
（2）根据平衡移动原理，合成氨的适宜条件是_________（填序号）
A 高温、高压 B 高温、低压 C 低温、高压 D 低温、低压
（3）500℃、时，的转化率为__________。
（4）工业中实际生产氨时，考虑到浓度对化学平衡及反应速率的影响，常采取的措施有：__________。
【答案】逆反应放热C41.77%加入过量（或）（或及时从平衡体系中移走）
题型二：化学反应的条件调控
【例4】（2020·全国高二课时练习）下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是（）
A．牛奶放在冰箱中冷藏
B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物
C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂
D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离
【答案】D
【例5】（2020·全国高二单元测试）是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是
A．使用催化剂可以加快反应速率
B．增大压强可以加快反应速率
C．达到平衡时，V(正)＝V(逆)
D．增大O2的浓度可以使NH3全部转变为NO
【答案】D
【例6】（2022·河北高三开学考试）一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：
Ⅰ.
Ⅱ.
Ⅲ.
Ⅳ.
副反应：
Ⅴ.
Ⅵ.
回答下列问题：
（1）已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数、随温度的变化如图1、图2所示。
①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，_______；反应Ⅰ的_______(填“>”或“<”)0。
②温度小于800℃时，，原因是_______。
③为提高反应Ⅱ中的转化率，可采取的措施是_______(写一条)。
④T℃时，向密闭容器中充入1和3，只发生反应Ⅱ，此时该反应的平衡常数，的平衡转化率为_______。
（2）从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是_______。
（3）起始时在气化炉中加入1C、2及1，在2.5下，气体的组成与温度的关系如图3所示。
①200~725℃时，的量不断减少的原因是_______。
②725~900℃时，的物质的量分数快速减小，其原因是_______。
【答案】
（1）>未达到自发进行的反应温度增大75%
（2）减少温室气体()的排放
（3）反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，升高温度平衡逆向移动开始分解，生成的与反应
【例7】（2021·石家庄精英中学高二期末）科学家在利用碳水化合物消除污染气体和生成新能源方面取得重大成果。
(1)①甲醇是一种绿色可再生能源，在高效健化剂的作用下，CH4可与NO2反应，消除NO2的污染，改善雾霾天气，发生的反应为：CH4(g)+2NO2(g)⇌CO2(g)+2H2O(g)+N2(g) △H<0。该反应自发进行的条件为_______(填高温、低温或任何条件)。在恒温恒容条件下，下列不能说明该反应达到平衡状态的是_______(填序号)。
a.v逆(NO2)=v正(H2O)
b.混合气体的密度不再变化
c.混合气体的平均摩尔质量不再变化
d.单位时间内有4 mol C-H健断裂的同时有4 molO-H键形成
e.混合气体的压强不变
②如表是相同时间内处理NO2的量与温度的关系，NO2的处理量先增大后减小的原因是_______。
温度/℃
100
200
300
400
500
NO2的处理量/%
39.3
70.4
85.6
75.7
50.5
(2)一定条件下，向2 L恒容密闭容器中通入4 mol CH4、8 mol NO2发生上述反应。测得反应过程中NO2的体积分数在不同条件X下随着时间的变化如图1中曲线I、曲线II所示：
①若X表示温度，则X1、X2的相对大小是_______，a、b、c三点对应的混合气体的平均相对分子质量的大小为_______(用a、b、c表示)
②X1条件下，在t1~t3 min内v(N2)_______(填“>”“<”或“=”)在t2~ t3 min内v(N2)，曲线I对应的反应的平衡常数K=_______，(用分数表示)
(3)欲研究在某催化剂作用下该反应的反应速率与温度的关系，在其他条件相同时，改变反应温度，测得经过相同时间时该反应的正反应速率如图2所示，A、B两点对应温度下正反应速率变化的原因可能是_______。 A、B两点对应温度下该反应的活化能Ea(A)_______Ea(B) (填“>”或“<”)。
【答案】高温bd低于300℃时，反应未达到平衡，随温度升高反应速率加快，二氧化氮的处理量逐渐增大，高于300℃时，反应达到平衡，升高温度，平衡逆向移动，二氧化氮的处理量减小X1 >X2b
(1)合成气制二甲醚：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝-204.7 kJ·mol-1
①已知：H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝-44.0 kJ·mol-1，H2(g)的燃烧热ΔH＝-285.8 kJ·mol-1，CO(g)的燃烧热ΔH＝-283.0 kJ·mol-1。则二甲醚的燃烧热ΔH＝________kJ·mol-1。
②300 ℃，1 L恒容密闭容器中充入4 mol H2和2 mol CO，测得容器内压强变化如下：
反应时间/min
0
5
10
15
20
25
压强/MPa
12.4
10.2
8.4
7.0
6.2
6.2
反应进行到20 min时，H2的转化率为________，CO的平均反应速率v(CO)＝________mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(mol·L)-4。
(2)CO2催化加氢制二甲醚，可以实现CO2的再利用。该过程主要发生如下反应：
Ⅰ．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.7 kJ·mol-1
Ⅱ．2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝-122.5 kJ·mol-1
恒压条件下，CO2、H2起始量相等时，CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图。已知：CH3OCH3的选择性
①300 ℃时，通入CO2、H2各1 mol，平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30％，平衡时生成CH3OCH3的物质的量＝________mol。温度高于300 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是________。
②220 ℃时，CO2和H2反应一段时间后，测得A点CH3OCH3的选择性为48％，不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3的选择性的措施有________。
【答案】-1460.575%0.0753
0.045升高温度，反应I正向进行，CO2的平衡转化率上升；反应Ⅱ逆向进行,CO2的平衡转化率下降，300℃后升温，上升幅度大于下降幅度增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂
提分特训
【题1】（2020·重庆市暨华中学校高二月考）下列生产、生活等实际应用，不能用勒夏特列原理解释的是
A．合成氨工业中，温度越高越有利于氨的合成
B．合成氨工业通常采用20 MPa～50 MPa压强，以提高原料的利用率
C．合成三氧化硫过程中使用过量的氧气，以提高二氧化硫的转化率
D．实验室中用排饱和食盐水的方法收集氯气
【答案】A
【题2】（2021·吉林长春市·长春外国语学校高二月考）下列有关合成氨工业的说法中正确的是
A．铁作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1×107~3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
【答案】C
【题3】（2021·吉林白城市·白城一中高二月考）热催化合成氨面临的两难问题是：釆用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti-H-Fe双温区催化剂(Ti-H区域和Fe区域的温度差可超过100 ℃)。Ti-H-Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是
A．①为氮氮三键的断裂过程
B．①②③在低温区发生
C．④为N原子由Fe区域向Ti-H区域的传递过程
D．使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应
【答案】C
【题4】（2021·浙江丽水·高二期末）工业合成氨是人工固氮的一种重要方式，氨的合成实现工业化生产迄今已有100多年历史，合成氨技术是人类科学技术领域的重要突破。请回答：
(1)下列有关获取原料气的说法正确的是___________。
A．可通过液化空气分离法得到氮气
B．可用煤、天然气与水蒸气反应制备水煤气，进而获取氢气
C．原料气需经净化处理以防催化剂中毒
D．电解水法获取氢气是一种较为廉价且高效的方法
(2)原料气中的杂质气体H2S可用过量氨水净化吸收，写出化学反应方程式___________。
(3)工业生产中氮气与氢气按物质的量之比为1：2.8进行投料，合成塔压强p恒定。若起始时氮气通入量为xmol，一段时间后测得氮气的平衡转化率为80%，用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数的KP=___________(用p表示，气体分压=总压ⅹ物质的量分数)
(4)据统计，每年全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨，为循环使用CO2减少浪费，常见的方法是利用合成氨的产品NH3和副产品CO2合成尿素：
①2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l)Ea1
②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)Ea2
副反应：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3
已知活化能大小：Ea1＜＜Ea2
某科研小组模拟工业合成尿素生产，发现反应温度在140℃时生成尿素的反应速率反而比80℃小，可能原因是___________。
(5)工业合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，请分析可能原因___________。
A．氨易获得，成本较低
B．氨过剩可提高二氧化碳的转化率，加快合成速率
C．氨气可与体系内水结合，减少氨基甲酸铵水解，抑制副反应发生
D．氨结合水，促进反应②正向移动
【答案】ABCH2S+2NH3•H2O=(NH4)2S+2H2O反应①活化能远小于反应②，反应①很快达到平衡，升高温度反应①逆向移动，氨基甲酸铵浓度减小，导致合成尿素速率减小，（若答：浓度效应大于温度效应；氨基甲酸铵分解也给分；其他答案合理也可）BCD
【题5】（2021·江苏高三开学考试）烟气中SO2和NO的转化和综合利用既有利于节约资源，又有利于保护环境。
（1）采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝，在一定浓度的NaClO2溶液中通入含有SO2和NO的烟气，反应温度为323K。
已知： 4H++ClO=4ClO2+Cl-+2H2O；ClO2氧化性大于NaClO2。
①写出NaClO2溶液将NO氧化为NO的离子方程式：___________。
②已知脱硫反应速率大于脱硝反应速率，原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同，还可能是___________。
③当调节溶液初始pH由7升至12时，通入烟气后，NO转化率由100%降为51%，可能的原因是___________。
（2）有氧条件下，NO在催化剂作用下可被NH3还原为N2。在钒基催化剂(V2O5)作用下的脱硝反应机理如图1所示。
①根据图1机理，NO、NH3在有氧条件下的总化学方程式是___________。
②按上述图1中NH3、NO和O2的比例进行催化脱硝反应。相同反应时间，NH3和NO的转化率与温度的关系如图2所示，200℃后，NO转化率急剧下降的原因是___________。
（3）羟基自由基(HO·)也可以用于脱硫脱硝。图3表示光催化氧化技术可生成HO·：光照时，价带失去电子产生有强氧化性的空穴，价带上生成HO·；描述产生HO·的另一种过程：___________。
【答案】
（1）2H2O+3ClO+4NO=4NO+3Cl-+4H+溶解度较低或脱硝反应活化能较高碱性条件下会减少氧化性更强的ClO2产生，降低了NO转化率
（2）4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)超过200℃后，NH3与O2生成NO
（3）光照时，电子从价带跃迁至导带，O2在导带获得电子生成H2O2或O，最终转化为HO·
提分作业
【练1】（2020·全国高二单元测试）不符合工业合成氨生产实际的是
A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用
C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行
【答案】D
【练2】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
【答案】A
【练3】（2021·吉林白城市·白城一中高二月考）已知：= -60kJ·mol-1合成总反应在起始物时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为，在t=250℃下的、在下的如图所示。
（1）加压有利于提高甲醇的产率，但实际生产中压强控制为30MPa而不是更大的原因___________；
（2）图中对应恒温条件下反应过程的曲线是___________，判断的理由是___________；
（3）当=0.03时，的平衡转化率=___________(保留一位小数)，由恒压条件下的曲线判断此时的反应温度可能是___________℃。
【答案】
（1）压强过大对设备要求过高，会增加生产成本
（2）a正反应为气体系数减小的反应，随着压强增大，平衡正向移动，x(CH3OH)增大
（3）11.3%280
【练4】（2021·四川雅安市·高三三模）在氮及其化合物的化工生产中，对有关反应的反应原理进行研究有着重要意义。
(1)t℃时，关于N2、NH3的两个反应的信息如下表所示：
化学反应
正反应活化能
逆反应活化能
t℃时平衡常数
N2(g)+O2(g)=2NO(g) ∆H＞0
akJ∙mol-1
bJ∙mol-1
K1
4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g) ∆H＜0
eJ∙mol-1
dJ∙mol-1
K2
请写出t℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式_______(反应热用a、b、e、d代数式表示)。t℃该反应的平衡常数为_______(用K1和K2表示)。请解释该反应能否自发进行_______。
(2)一定温度下，将2molN2和6molH2置于1L的恒容密闭容器中发生如下反应：
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) △H＜0。测得不同条件、不同时间段内合成氨反应中N2的转化率，数据如下：
1小时
2小时
3小时
4小时
T1
30%
50%
80%
80%
T2
35%
60%
a
b
①上表中T1_______T2(“＞”“＜”或“=”表示)，其中a、b、80%三者的大小关系是_______(用含“＞”“＜”或“=”的关系式表示)。
②研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为v=，k为速率常数。以下说法正确的是_______(填字母)
A．升高温度，k值增大
B．T2℃时若容器内混合气体平均相对分子质量为17且保持不变，则反应达到平衡状态
C．将原容器中的NH3及时分离出来可使v增大
D．合成氨达到平衡后，增大c(N2)可使正反应速率在达到新平衡的过程中始终增大。
③已知某温度下该反应达平衡时各物质均为1mol，容器容积为1L，保持温度和压强不变，又充入3molN2后，平衡_______(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。
【答案】4NH3(g)+6NO(g)=5N2(g)+6H2O(g) ∆H=(e-d-5a+5b)kJ·mol-1该反应∆H＜0，∆S＞0，所以∆G＜0，可以自发进行＜a=b＜80%ABC不移动
【练5】（2021·抚松县第一中学高二月考）工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤，压强及温度对SO2的转化率的影响如表(原料气各成分的体积分数为：SO27%，O211%，N282%)：
（1）利用表中数据判断SO2的氧化反应是____反应(填“放热”或“吸热”)。
温度/℃
不同压强下的转化率/%
0.1MPa
0.5MPa
1MPa
10MPa
400
99.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
（2）根据表中数据，考虑综合经济效益，你认为工业上SO2催化氧化时适宜的压强为___，理由___。
（3）温度选为400-500之间的原因____。
（4）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的平衡转化率？___(填“是”或“否”)。
（5）为提高SO3吸收率，实际生产中用___吸收SO3。
（6）将1molSO3充入一真空密闭容器中，一定条件下达到平衡，此时SO3所占体积分数为M%，若在同样条件下最初投入2molSO3，反应达平衡时SO3所占体积分数为N%，则M%___N%(填“大于”，“等于”或“小于”)。
【答案】
（1）放热
（2）0.1MPa温度一定时，该压强下二氧化硫的转化率已经很高了，再增压转化率变化不大，且对设备、材料要求高不经济
（3）在相同压强下，低于400度，速率太低；该反应是放热反应，高于500度升温反应逆向移动三氧化硫的产率降低；400-500催化剂的活性最好
（4）否
（5）98.3%硫酸
（6）小于
第12讲化学反应的调控
知识导航
课前引入
钢铁生产是十七世纪从英国开始的第一次产业革命的两大产业之一。高炉炼铁的主要反应是：
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
其中CO的反应是
C+O2CO2 ①
CO2+C2CO ②
炼制1吨生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，且从高炉炉顶出来的气体中含有没有利用的CO气体。开始，炼铁工程师们认为是因为CO与铁矿石接触不充分，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的比例竟然没有改变。这成了炼铁技术中的科学悬念。有关人士一直在探究其中的原因，直到十九世纪下半叶，法国科学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一迷底解开。原来，产生上述现象的原因是反应②是一个可逆反应，并且至上而下发生在高炉中有焦炭的地方。后来的研究说明，在高炉中Fe2O3和CO反应也不能全部转化为Fe和CO2。
那么，有什么方法可以对化学反应进行调控，让其尽可能多地转化为目标产物呢？
知识精讲
一、合成氨反应的原理分析
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1
根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响
影响因素
浓度
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
二、合成氨反应的数据分析
下表的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。
温度/℃
氨的含量/%
0.1MPa
10MPa
20MPa
30MPa
60MPa
100MPa
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.20
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.40
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.10
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.50
9.1
13.8
23.1
31.4
思考与交流：合成氨的反应，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？
思考与交流：综合上述两个方面，分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢?
三、合成氨反应的条件调控
工业合成氨的适宜条件
压强
10～30 MPa
温度
400～500 ℃
催化剂
铁触媒
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
思考与交流
（1）工业上合成氨为什么不采用更高压强？
（2）工业上合成氨为什么不采用更高温度？
【答案】（1）压强越大，对设备的要求越高、成本越高。
（2）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，催化剂活性减弱甚至失活。
四、调控化学反应需考虑的问题
1．反应限度：要考虑尽量增大反应物的__________，充分利用原料。
2．反应速率：要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。
3．生产要求：要考虑设备的要求和技术条件。
【答案】转化率反应速率
对点训练
题型一：合成氨的条件调控
【例1】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
【答案】B
【变1-1】下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是
A．使用铁触媒，使和混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
【答案】B
【变1-2】（双选）（2020·河北石家庄市·正定中学高二开学考试）2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1。关于合成氨工艺的下列理解正确的是
A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B．控制温度(773K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
C．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行
【答案】AD
【例2】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)。
【答案】(1)NH3 (2)B、C (3)c a
【例3】（2020·全国高二课时练习）下表所列实验数据是在不同温度和压强下达到平衡状态时，混合物中的含量（体积分数）的变化情况[投料比
0.1
10
20
30
60
100
200
15.3
81.5
86.4
89.9
95.4
98.8
300
2.2
52.0
64.2
71.0
84.2
92.6
400
0.4
25.1
38.2
47.0
65.2
79.8
500
0.1
10.6
19.1
26.4
42.2
57.5
600
0.05
4.5
9.1
13.8
23.1
31.4
（1）比较200℃和300℃时的数据，可判断出升高温度，平衡向_____（填“正反应”或“逆反应”）方向移动，合成氨的正反应为_________（填“吸热”或“放热”）反应。
（2）根据平衡移动原理，合成氨的适宜条件是_________（填序号）
A 高温、高压 B 高温、低压 C 低温、高压 D 低温、低压
（3）500℃、时，的转化率为__________。
（4）工业中实际生产氨时，考虑到浓度对化学平衡及反应速率的影响，常采取的措施有：__________。
【答案】逆反应放热C41.77%加入过量（或）（或及时从平衡体系中移走）
题型二：化学反应的条件调控
【例4】（2020·全国高二课时练习）下列生活和生产中的做法或事实，与调控反应速率无关的是（）
A．牛奶放在冰箱中冷藏
B．使用加酶洗衣粉洗涤衣物
C．汽车的橡胶轮胎中要添加抑制剂
D．工业合成氨时，及时将氨气液化分离
【答案】D
【例5】（2020·全国高二单元测试）是工业上制硝酸的重要反应，下列有关说法错误的是
A．使用催化剂可以加快反应速率
B．增大压强可以加快反应速率
C．达到平衡时，V(正)＝V(逆)
D．增大O2的浓度可以使NH3全部转变为NO
【答案】D
【例6】（2022·河北高三开学考试）一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：
Ⅰ.
Ⅱ.
Ⅲ.
Ⅳ.
副反应：
Ⅴ.
Ⅵ.
回答下列问题：
（1）已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数、随温度的变化如图1、图2所示。
①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，_______；反应Ⅰ的_______(填“>”或“<”)0。
②温度小于800℃时，，原因是_______。
③为提高反应Ⅱ中的转化率，可采取的措施是_______(写一条)。
④T℃时，向密闭容器中充入1和3，只发生反应Ⅱ，此时该反应的平衡常数，的平衡转化率为_______。
（2）从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是_______。
（3）起始时在气化炉中加入1C、2及1，在2.5下，气体的组成与温度的关系如图3所示。
①200~725℃时，的量不断减少的原因是_______。
②725~900℃时，的物质的量分数快速减小，其原因是_______。
【答案】
（1）>未达到自发进行的反应温度增大75%
（2）减少温室气体()的排放
（3）反应Ⅴ和反应Ⅵ均为放热反应，升高温度平衡逆向移动开始分解，生成的与反应
【例7】（2021·石家庄精英中学高二期末）科学家在利用碳水化合物消除污染气体和生成新能源方面取得重大成果。
(1)①甲醇是一种绿色可再生能源，在高效健化剂的作用下，CH4可与NO2反应，消除NO2的污染，改善雾霾天气，发生的反应为：CH4(g)+2NO2(g)⇌CO2(g)+2H2O(g)+N2(g) △H<0。该反应自发进行的条件为_______(填高温、低温或任何条件)。在恒温恒容条件下，下列不能说明该反应达到平衡状态的是_______(填序号)。
a.v逆(NO2)=v正(H2O)
b.混合气体的密度不再变化
c.混合气体的平均摩尔质量不再变化
d.单位时间内有4 mol C-H健断裂的同时有4 molO-H键形成
e.混合气体的压强不变
②如表是相同时间内处理NO2的量与温度的关系，NO2的处理量先增大后减小的原因是_______。
温度/℃
100
200
300
400
500
NO2的处理量/%
39.3
70.4
85.6
75.7
50.5
(2)一定条件下，向2 L恒容密闭容器中通入4 mol CH4、8 mol NO2发生上述反应。测得反应过程中NO2的体积分数在不同条件X下随着时间的变化如图1中曲线I、曲线II所示：
①若X表示温度，则X1、X2的相对大小是_______，a、b、c三点对应的混合气体的平均相对分子质量的大小为_______(用a、b、c表示)
②X1条件下，在t1~t3 min内v(N2)_______(填“>”“<”或“=”)在t2~ t3 min内v(N2)，曲线I对应的反应的平衡常数K=_______，(用分数表示)
(3)欲研究在某催化剂作用下该反应的反应速率与温度的关系，在其他条件相同时，改变反应温度，测得经过相同时间时该反应的正反应速率如图2所示，A、B两点对应温度下正反应速率变化的原因可能是_______。 A、B两点对应温度下该反应的活化能Ea(A)_______Ea(B) (填“>”或“<”)。
【答案】高温bd低于300℃时，反应未达到平衡，随温度升高反应速率加快，二氧化氮的处理量逐渐增大，高于300℃时，反应达到平衡，升高温度，平衡逆向移动，二氧化氮的处理量减小X1 >X2b
(1)合成气制二甲醚：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝-204.7 kJ·mol-1
①已知：H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝-44.0 kJ·mol-1，H2(g)的燃烧热ΔH＝-285.8 kJ·mol-1，CO(g)的燃烧热ΔH＝-283.0 kJ·mol-1。则二甲醚的燃烧热ΔH＝________kJ·mol-1。
②300 ℃，1 L恒容密闭容器中充入4 mol H2和2 mol CO，测得容器内压强变化如下：
反应时间/min
0
5
10
15
20
25
压强/MPa
12.4
10.2
8.4
7.0
6.2
6.2
反应进行到20 min时，H2的转化率为________，CO的平均反应速率v(CO)＝________mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(mol·L)-4。
(2)CO2催化加氢制二甲醚，可以实现CO2的再利用。该过程主要发生如下反应：
Ⅰ．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.7 kJ·mol-1
Ⅱ．2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝-122.5 kJ·mol-1
恒压条件下，CO2、H2起始量相等时，CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图。已知：CH3OCH3的选择性
①300 ℃时，通入CO2、H2各1 mol，平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30％，平衡时生成CH3OCH3的物质的量＝________mol。温度高于300 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而上升的原因是________。
②220 ℃时，CO2和H2反应一段时间后，测得A点CH3OCH3的选择性为48％，不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3的选择性的措施有________。
【答案】-1460.575%0.0753
0.045升高温度，反应I正向进行，CO2的平衡转化率上升；反应Ⅱ逆向进行,CO2的平衡转化率下降，300℃后升温，上升幅度大于下降幅度增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂
提分特训
【题1】（2020·重庆市暨华中学校高二月考）下列生产、生活等实际应用，不能用勒夏特列原理解释的是
A．合成氨工业中，温度越高越有利于氨的合成
B．合成氨工业通常采用20 MPa～50 MPa压强，以提高原料的利用率
C．合成三氧化硫过程中使用过量的氧气，以提高二氧化硫的转化率
D．实验室中用排饱和食盐水的方法收集氯气
【答案】A
【题2】（2021·吉林长春市·长春外国语学校高二月考）下列有关合成氨工业的说法中正确的是
A．铁作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1×107~3×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
【答案】C
【题3】（2021·吉林白城市·白城一中高二月考）热催化合成氨面临的两难问题是：釆用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti-H-Fe双温区催化剂(Ti-H区域和Fe区域的温度差可超过100 ℃)。Ti-H-Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是
A．①为氮氮三键的断裂过程
B．①②③在低温区发生
C．④为N原子由Fe区域向Ti-H区域的传递过程
D．使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应
【答案】C
【题4】（2021·浙江丽水·高二期末）工业合成氨是人工固氮的一种重要方式，氨的合成实现工业化生产迄今已有100多年历史，合成氨技术是人类科学技术领域的重要突破。请回答：
(1)下列有关获取原料气的说法正确的是___________。
A．可通过液化空气分离法得到氮气
B．可用煤、天然气与水蒸气反应制备水煤气，进而获取氢气
C．原料气需经净化处理以防催化剂中毒
D．电解水法获取氢气是一种较为廉价且高效的方法
(2)原料气中的杂质气体H2S可用过量氨水净化吸收，写出化学反应方程式___________。
(3)工业生产中氮气与氢气按物质的量之比为1：2.8进行投料，合成塔压强p恒定。若起始时氮气通入量为xmol，一段时间后测得氮气的平衡转化率为80%，用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数的KP=___________(用p表示，气体分压=总压ⅹ物质的量分数)
(4)据统计，每年全世界在合成氨工业中向外排放CO2高达40亿吨，为循环使用CO2减少浪费，常见的方法是利用合成氨的产品NH3和副产品CO2合成尿素：
①2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l)Ea1
②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)Ea2
副反应：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3
已知活化能大小：Ea1＜＜Ea2
某科研小组模拟工业合成尿素生产，发现反应温度在140℃时生成尿素的反应速率反而比80℃小，可能原因是___________。
(5)工业合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，请分析可能原因___________。
A．氨易获得，成本较低
B．氨过剩可提高二氧化碳的转化率，加快合成速率
C．氨气可与体系内水结合，减少氨基甲酸铵水解，抑制副反应发生
D．氨结合水，促进反应②正向移动
【答案】ABCH2S+2NH3•H2O=(NH4)2S+2H2O反应①活化能远小于反应②，反应①很快达到平衡，升高温度反应①逆向移动，氨基甲酸铵浓度减小，导致合成尿素速率减小，（若答：浓度效应大于温度效应；氨基甲酸铵分解也给分；其他答案合理也可）BCD
【题5】（2021·江苏高三开学考试）烟气中SO2和NO的转化和综合利用既有利于节约资源，又有利于保护环境。
（1）采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝，在一定浓度的NaClO2溶液中通入含有SO2和NO的烟气，反应温度为323K。
已知： 4H++ClO=4ClO2+Cl-+2H2O；ClO2氧化性大于NaClO2。
①写出NaClO2溶液将NO氧化为NO的离子方程式：___________。
②已知脱硫反应速率大于脱硝反应速率，原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同，还可能是___________。
③当调节溶液初始pH由7升至12时，通入烟气后，NO转化率由100%降为51%，可能的原因是___________。
（2）有氧条件下，NO在催化剂作用下可被NH3还原为N2。在钒基催化剂(V2O5)作用下的脱硝反应机理如图1所示。
①根据图1机理，NO、NH3在有氧条件下的总化学方程式是___________。
②按上述图1中NH3、NO和O2的比例进行催化脱硝反应。相同反应时间，NH3和NO的转化率与温度的关系如图2所示，200℃后，NO转化率急剧下降的原因是___________。
（3）羟基自由基(HO·)也可以用于脱硫脱硝。图3表示光催化氧化技术可生成HO·：光照时，价带失去电子产生有强氧化性的空穴，价带上生成HO·；描述产生HO·的另一种过程：___________。
【答案】
（1）2H2O+3ClO+4NO=4NO+3Cl-+4H+溶解度较低或脱硝反应活化能较高碱性条件下会减少氧化性更强的ClO2产生，降低了NO转化率
（2）4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)超过200℃后，NH3与O2生成NO
（3）光照时，电子从价带跃迁至导带，O2在导带获得电子生成H2O2或O，最终转化为HO·
提分作业
【练1】（2020·全国高二单元测试）不符合工业合成氨生产实际的是
A．铁触媒作催化剂 B．N2、H2循环使用
C．NH3液化分离 D．反应在常压下进行
【答案】D
【练2】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
【答案】A
【练3】（2021·吉林白城市·白城一中高二月考）已知：= -60kJ·mol-1合成总反应在起始物时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为，在t=250℃下的、在下的如图所示。
（1）加压有利于提高甲醇的产率，但实际生产中压强控制为30MPa而不是更大的原因___________；
（2）图中对应恒温条件下反应过程的曲线是___________，判断的理由是___________；
（3）当=0.03时，的平衡转化率=___________(保留一位小数)，由恒压条件下的曲线判断此时的反应温度可能是___________℃。
【答案】
（1）压强过大对设备要求过高，会增加生产成本
（2）a正反应为气体系数减小的反应，随着压强增大，平衡正向移动，x(CH3OH)增大
（3）11.3%280
【练4】（2021·四川雅安市·高三三模）在氮及其化合物的化工生产中，对有关反应的反应原理进行研究有着重要意义。
(1)t℃时，关于N2、NH3的两个反应的信息如下表所示：
化学反应
正反应活化能
逆反应活化能
t℃时平衡常数
N2(g)+O2(g)=2NO(g) ∆H＞0
akJ∙mol-1
bJ∙mol-1
K1
4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g) ∆H＜0
eJ∙mol-1
dJ∙mol-1
K2
请写出t℃时NH3被NO氧化生成无毒气体的热化学方程式_______(反应热用a、b、e、d代数式表示)。t℃该反应的平衡常数为_______(用K1和K2表示)。请解释该反应能否自发进行_______。
(2)一定温度下，将2molN2和6molH2置于1L的恒容密闭容器中发生如下反应：
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) △H＜0。测得不同条件、不同时间段内合成氨反应中N2的转化率，数据如下：
1小时
2小时
3小时
4小时
T1
30%
50%
80%
80%
T2
35%
60%
a
b
①上表中T1_______T2(“＞”“＜”或“=”表示)，其中a、b、80%三者的大小关系是_______(用含“＞”“＜”或“=”的关系式表示)。
②研究表明，合成氨的速率与相关物质的浓度关系为v=，k为速率常数。以下说法正确的是_______(填字母)
A．升高温度，k值增大
B．T2℃时若容器内混合气体平均相对分子质量为17且保持不变，则反应达到平衡状态
C．将原容器中的NH3及时分离出来可使v增大
D．合成氨达到平衡后，增大c(N2)可使正反应速率在达到新平衡的过程中始终增大。
③已知某温度下该反应达平衡时各物质均为1mol，容器容积为1L，保持温度和压强不变，又充入3molN2后，平衡_______(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。
【答案】4NH3(g)+6NO(g)=5N2(g)+6H2O(g) ∆H=(e-d-5a+5b)kJ·mol-1该反应∆H＜0，∆S＞0，所以∆G＜0，可以自发进行＜a=b＜80%ABC不移动
【练5】（2021·抚松县第一中学高二月考）工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤，压强及温度对SO2的转化率的影响如表(原料气各成分的体积分数为：SO27%，O211%，N282%)：
（1）利用表中数据判断SO2的氧化反应是____反应(填“放热”或“吸热”)。
温度/℃
不同压强下的转化率/%
0.1MPa
0.5MPa
1MPa
10MPa
400
99.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
（2）根据表中数据，考虑综合经济效益，你认为工业上SO2催化氧化时适宜的压强为___，理由___。
（3）温度选为400-500之间的原因____。
（4）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的平衡转化率？___(填“是”或“否”)。
（5）为提高SO3吸收率，实际生产中用___吸收SO3。
（6）将1molSO3充入一真空密闭容器中，一定条件下达到平衡，此时SO3所占体积分数为M%，若在同样条件下最初投入2molSO3，反应达平衡时SO3所占体积分数为N%，则M%___N%(填“大于”，“等于”或“小于”)。
【答案】
（1）放热
（2）0.1MPa温度一定时，该压强下二氧化硫的转化率已经很高了，再增压转化率变化不大，且对设备、材料要求高不经济
（3）在相同压强下，低于400度，速率太低；该反应是放热反应，高于500度升温反应逆向移动三氧化硫的产率降低；400-500催化剂的活性最好
（4）否
（5）98.3%硫酸
（6）小于
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