新教材宁陕2024届高考化学一轮复习学案第7章化学反应的方向限度与速率第43讲化学反应速率工业合成氨鲁科版

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考点一 化学反应速率的概念及计算
1．化学反应速率
2．化学反应中各物质浓度的计算模式——“三段式”
(1)写出有关反应的化学方程式。
(2)找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。
(3)根据已知条件列方程式计算。
例如：反应mA ＋ nB === pC
t0 s/(ml·L－1) a b 0
转化/(ml·L－1) x eq \f(nx,m) eq \f(px,m)
t1 s/(ml·L－1) a－x b－eq \f(nx,m) eq \f(px,m)
则v(A)＝eq \f(x,t1－t0) ml·L－1·s－1，
v(B)＝eq \f(nx,mt1－t0) ml·L－1·s－1，
v(C)＝eq \f(px,mt1－t0) ml·L－1·s－1。
3．比较化学反应速率大小的常用方法
(1)先换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值的大小。
(2)比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应aA(g)＋bB(g)===cC(g)＋dD(g)，比较eq \f(vA,a)与eq \f(vB,b)，若eq \f(vA,a)>eq \f(vB,b)，则不同情况下，用A表示的反应速率比用B表示的大。
应用举例
已知反应4CO＋2NO2eq \(=====,\s\up7(催化剂))N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下：
①v(CO)＝1.5 ml·L－1·min－1
②v(NO2)＝0.7 ml·L－1·min－1
③v(N2)＝0.4 ml·L－1·min－1
④v(CO2)＝1.1 ml·L－1·min－1
⑤v(NO2)＝0.01 ml·L－1·s－1
请比较上述5种情况反应的快慢：______________(由大到小的顺序)。
1．对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象越明显( )
2．由v＝eq \f(Δc,Δt)计算平均反应速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值( )
3．化学反应速率为0.8 ml·L－1·s－1是指1 s时某物质的浓度为0.8 ml·L－1( )
4．同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，数值越大，表示化学反应速率越快( )
一、化学反应速率的计算
1．一定温度下反应：4A(s)＋3B(g)2C(g)＋D(g)，经2 min，B的浓度减少0.6 ml·L－1，对此反应速率的表示正确的是( )
A．用A表示的反应速率是0.4 ml·L－1·min－1
B．分别用B、C、D表示反应速率，其比值是1∶2∶3
C．在2 min末的反应速率，用B表示为0.3 ml·L－1·min－1
D．在这2 min内用B和C表示的瞬时速率的值都是逐渐减小的
2．一定条件下，在体积为10 L的固定容器中发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，反应过程如图。下列说法不正确的是( )
A．t1 min时，正、逆反应速率相等
B．X曲线表示NH3的物质的量随时间的变化关系
C．0～8 min，H2的平均反应速率v(H2)＝0.011 25 ml·L－1·min－1
D．10～12 min，N2的平均反应速率v(N2)＝0.002 5 ml·L－1·min－1
3．温度为T1时，2 g某合金4 min内吸收氢气240 mL，吸氢速率v＝________mL·g－1·min－1。
4．工业制硫酸的过程中，SO2(g)转化为SO3(g)是关键的一步，550 ℃时，在1 L的恒温容器中，反应过程中的部分数据见下表：
若在起始时总压为p0 kPa，反应速率若用单位时间内分压的变化表示，气态物质分压＝总压×气态物质的物质的量分数，则10 min内SO2(g)的反应速率v(SO2)＝________ kPa·min－1。
二、反应速率常数的应用
5．工业上利用CH4(混有CO和H2)与水蒸气在一定条件下制取H2，原理为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)，该反应的逆反应速率表达式为v逆＝k·c(CO)·c3(H2)，k为速率常数，在某温度下测得实验数据如表所示：
由上述数据可得该温度下，c2＝______，该反应的逆反应速率常数k＝______ L3·ml－3·min－1。
1．反应速率常数的含义
反应速率常数(k)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1 ml·L－1时的反应速率。在相同浓度的条件下，可用反应速率常数大小来比较化学反应的反应速率。
化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比，而反应速率常数是其比例常数，在恒温条件下，反应速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此，可以应用速率方程求出该温度下任意浓度时的反应速率。
2．速率方程
一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其化学计量数为指数的幂的乘积成正比。
对于反应：aA＋bB===gG＋hH
则v＝k·ca(A)·cb(B)(其中k为反应速率常数)。
如：①SO2Cl2SO2＋Cl2
v＝k1·c(SO2Cl2)
②2NO22NO＋O2 v＝k2·c2(NO2)
③2H2＋2NON2＋2H2O
v＝k3·c2(H2)·c2(NO)
3．反应速率常数的影响因素
温度对化学反应速率的影响是显著的，反应速率常数是温度的函数。同一反应，温度不同，反应速率常数将有不同的值，但浓度不影响反应速率常数。
考点二 影响化学反应速率的因素
1．内因
反应物____________是主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为Mg____Al。
2．外因
3．理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子、活化能、有效碰撞
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子(必须具有足够的能量)。
②活化能
图中：E1表示____________，使用催化剂时的活化能为______，反应热为________(注：E2表示活化分子变成生成物分子放出的能量)。
③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
(2)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
条件→活化分子→有效碰撞→反应速率变化
1．催化剂参与化学反应，改变了活化能，但反应前后物理和化学性质保持不变( )
2．升温时吸热反应速率增大，放热反应速率减小( )
3．一定量的锌与过量的稀硫酸反应制取氢气，滴入少量硫酸铜与醋酸钠均能够提高反应速率( )
4．增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分数，所以反应速率增大( )
5．100 mL 2 ml·L－1盐酸与锌片反应，加入适量的氯化钠溶液，反应速率不变( )
一、影响化学反应速率的因素
1．下列措施可以增大化学反应速率的是________(填序号)。
①Al在氧气中燃烧生成Al2O3，将Al片改成Al粉
②Fe与稀硫酸反应制取H2时，改用98%浓硫酸
③H2SO4与BaCl2溶液反应时，增大压强
④2SO2＋O2eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))2SO3 ΔH<0，升高温度
⑤Na与水反应时，增大水的用量
⑥2H2O2===2H2O＋O2↑反应中，加入少量MnO2
⑦H2与Cl2混合后光照
2．一定温度下，反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)在密闭容器中进行，回答下列措施对化学反应速率的影响(填“增大”“减小”或“不变”)。
(1)缩小体积使压强增大：__________，原因是_____________________________________。
(2)恒容充入N2：__________。
(3)恒容充入He：__________，原因是_____________________________________________。
(4)恒压充入He：__________。
惰性气体对反应速率的影响
二、用控制变量法探究影响化学反应速率的因素
3．为了研究一定浓度Fe2＋的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率，实验结果如图所示，判断下列说法正确的是( )
A．pH越小，氧化率越小
B．温度越高，氧化率越小
C．Fe2＋的氧化率仅与溶液的pH和温度有关
D．实验说明降低pH、升高温度有利于提高Fe2＋的氧化率
4．已知：2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===2MnSO4＋K2SO4＋10CO2↑＋8H2O。某化学小组欲探究H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响，进行了如下实验(忽略溶液体积变化)：
下列说法不正确的是( )
A．V1＝1，V2＝2
B．设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响
C．实验计时是从溶液混合开始，溶液呈紫红色时结束
D．实验Ⅲ中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)＝0.01 ml·L－1·min－1
5．可逆反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)是工业上制取H2SO4的重要反应。
(1)在恒压条件下，该反应分组实验的有关条件如下表：
已知Ⅰ、Ⅱ两组实验过程中，SO3气体的体积分数φ(SO3)随时间t的变化曲线如图所示。
①Ⅱ组与Ⅰ相比不同的条件是___________________________________________________。
②将 Ⅰ 组实验中温度变为800 ℃，则φ(SO3)达到a%所需时间__________t1(填“小于”“大于”或“等于”)。
(2)向四个体积相同的密闭容器中分别充入一定量的SO2和O2，开始反应时，按反应速率由大到小排列的是________(填字母)。
甲：在500 ℃时，10 ml SO2和10 ml O2反应
乙：在500 ℃时，用V2O5作催化剂，10 ml SO2和10 ml O2反应
丙：在450 ℃时，8 ml SO2和5 ml O2反应
丁：在500 ℃时，8 ml SO2和5 ml O2反应
A．甲、乙、丙、丁 B．乙、甲、丙、丁
C．乙、甲、丁、丙 D．丁、丙、乙、甲
关于“控制变量法”题目的解题策略
考点三 工业合成氨
1．化工生产适宜条件选择的一般原则
2.控制反应条件的基本措施
(1)控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
(2)提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
3．工业合成氨反应的适宜条件
(1)理论分析
增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量对反应条件的要求不尽相同：
(2)实际工业合成氨反应的适宜条件
①压强eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(低压1×107 Pa,中压2×107～3×107 Pa,高压8.5×107～1×108 Pa))
②温度：700 K左右。
③催化剂：以铁为主体的多成分催化剂。
④浓度：N2与H2的投料比(物质的量之比)为1∶2.8。
一、工业合成氨条件的分析
1．下图是工业合成氨的工艺，根据流程解答下列问题：
(1)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，结合反应的化学方程式分析哪些措施可以提高合成氨的反应速率？哪些措施可以提高氮气或氢气的转化率？
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂。
①铁触媒加快化学反应速率的原因是什么？
____________________________________________________________________________
②铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗？ 简述理由。
____________________________________________________________________________
③铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？
____________________________________________________________________________
(3)合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑什么因素？
____________________________________________________________________________
(4)合成氨时一般采用的压强为10～30 MPa的原因是什么？
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施？
____________________________________________________________________________
二、其他工业生产条件的分析
2．工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)(正反应吸热)，将丁烷和氢气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化率、产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是( )
A．由图甲可知，x小于0.1
B．由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着eq \f(n氢气,n丁烷)增大，逆反应速率减小
C．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移动
D．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之后快速降低的主要原因是丁烯高温分解生成副产物
3．乙烯是石油化工最基本的原料之一。
(1)乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯：C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＞0。提高乙烷平衡转化率的措施有_________________、_______________________。
(2)在乙烷中引入O2可以降低反应温度，减少积碳。涉及如下反应：
a．2C2H6(g)＋ O2(g)2C2H4(g) ＋ 2H2O(g) ΔH2＜0
b．2C2H6(g)＋5O2(g)4CO(g) ＋ 6H2O(g) ΔH3＜0
c．C2H4(g)＋ 2O2(g)2CO(g) ＋ 2H2O(g) ΔH4＜0
氧气的引入可能导致过度氧化。为减少过度氧化，需要寻找催化剂降低反应________(填“a”“b”或“c”)的活化能，判断的依据是_______________________________________
______________________________________________________________________________。
(3)常压下，在某催化剂作用下按照n(C2H6)∶n(O2)＝1∶1投料制备乙烯，体系中C2H4和CO在含碳产物中的物质的量百分数及C2H6转化率随温度的变化如图所示。
①乙烯的物质的量百分数随温度升高而降低的原因是______________________________。
②在570～600 ℃温度范围内，下列说法正确的是________(填字母)。
A．C2H4产率随温度升高而增大
B．H2O的含量随温度升高而增大
C．C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而增大
D．此催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率
1．(2022·浙江6月选考，20)恒温恒容的密闭容器中，在某催化剂表面上发生氨的分解反应：2NH3(g)eq \(,\s\up7(催化剂))N2(g)＋3H2(g)，测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化，如下表所示，下列说法不正确的是( )
A.实验①，0～20 min，v(N2)＝1.00×10－5 ml·L－1·min－1
B．实验②，60 min时处于平衡状态，x≠0.40
C．相同条件下，增加氨气的浓度，反应速率增大
D．相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大
2．(2021·辽宁，12)某温度下，降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合，反应物浓度与催化剂浓度及时间关系如图。已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，下列说法错误的是( )
A．其他条件相同时，催化剂浓度越大，反应速率越大
B．其他条件相同时，降冰片烯浓度越大，反应速率越大
C．条件①，反应速率为0.012 ml·L－1·min－1
D．条件②，降冰片烯起始浓度为3.0 ml·L－1时，半衰期为62.5 min
3．(2022·广东，15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X→2Y的影响，各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图，则( )
A．无催化剂时，反应不能进行
B．与催化剂Ⅰ相比，Ⅱ使反应活化能更低
C．a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D．使用催化剂Ⅰ时，0～2 min内，v(X)＝1.0 ml·L－1·min－1
4．[2022·辽宁，18(1)(2)(4)(5)]工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖，其反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1 ΔS＝－200 J·K－1·ml－1。
回答下列问题：
(1)合成氨反应在常温下__________(填“能”或“不能”)自发。
(2)__________温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率，__________温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用400～500 ℃。
针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了两种解决方案。
(4)方案二：M-LiH复合催化剂。
下列说法正确的是__________(填字母)。
a．300 ℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高
b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率
c．温度越高，复合催化剂活性一定越高
(5)某合成氨速率方程为：v＝kcα(N2)·cβ(H2)·cγ(NH3)，根据表中数据，γ＝__________；
在合成氨过程中，需要不断分离出氨的原因为_____________________________________(填字母)。
a．有利于平衡正向移动
b．防止催化剂中毒
c．提高正反应速率反应时间/min
SO2(g)/ml
O2(g)/ml
SO3(g)/ml
0
4
2
0
5
1.5
10
2
15
1
CO浓度/(ml·L－1)
H2浓度/(ml·L－1)
逆反应速率/(ml·L－1·min－1)
0.1
c1
8.0
c2
c1
16.0
c2
0.15
6.75
条件改变
单位体积内
有效碰
撞次数
化学反
应速率
分子总数
活化分子数
活化分子百分数
增大反应物浓度
增大压强
升高温度
加催化剂
在恒温恒容条件下
通入惰性气体，总压增大，反应物浓度不变，反应速率不变
恒温恒压条件下
通入惰性气体，总体积增大，反应物浓度减小，反应速率减小
编号
0.01 ml·L－1酸性KMnO4溶液体积/mL
0.1 ml·L－1 H2C2O4溶液体积/mL
水的体
积/mL
反应温
度/℃
反应时
间/min
Ⅰ
2
2
0
20
2.1
Ⅱ
V1
2
1
20
5.5
Ⅲ
V2
2
0
50
0.5
反应条件
温度
容器容积
起始n(SO2)
起始n(O2)
其他条件
Ⅰ 组
500 ℃
1 L
1 ml
2 ml
无
Ⅱ 组
500 ℃
1 L
1 ml
2 ml
条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意催化剂的活性受温度的限制
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
使用
提高平衡混合物中氨的含量
编号
时间/min
cNH3/10－3 ml·L－1
表面积/cm2
0
20
40
60
80
①
a
2.40
2.00
1.60
1.20
0.80
②
a
1.20
0.80
0.40
x
③
2a
2.40
1.60
0.80
0.40
0.40
实验
eq \f(cN2,ml·L－1)
eq \f(cH2,ml·L－1)
eq \f(cNH3,ml·L－1)
eq \f(v,ml·L－1·s－1)
1
m
n
p
q
2
2m
n
p
2q
3
m
n
0.1p
10q
4
m
2n
p
2.828q