高中化学第四节 化学反应的调控导学案及答案

这是一份高中化学第四节 化学反应的调控导学案及答案，共10页。

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．以工业合成氨为例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反应和化工生产条件综合分析。
3．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。
图说考点
必备基础——自学·尝试
[新知预习]
一、合成氨反应的特点
1．合成氨反应的特点
(1)反应
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1。
(2)特点
①________热反应(ΔH________0)；
②熵________的反应(ΔS________0)，即反应过程中气体分子总数________的反应；
③可逆反应。
2．理论分析
根据合成氨反应的特点，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，应选择的反应条件如表所示：
二、条件选择
1．压强
(1)理论分析：合成氨时，压强越大越好，但是压强越大，对________和________要求也越高，需要的动力也________，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
(2)实际选择：我国的合成氨厂一般采用的压强为________MPa。
2．温度
(1)理论分析：根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。实验数据也说明了这一点(如图)。但是，温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
(2)实际选择：在实际生产中一般采用的温度为________℃。
3．催化剂
(1)目前，合成氨工业中普遍使用的催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂)。
(2)催化原理：改变反应历程，________反应的活化能，如图所示：
(3)铁触媒在500 ℃左右时的________最大，这也是合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的重要原因。
[即学即练]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)合成氨反应放热，因此温度应尽可能低。( )
(2)将氨气液化分离移走，可提高合成氨转化率。( )
(3)使用铁触媒作催化剂既可提高合成氨的反应速率，又可提高氨气的产率。( )
(4)合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的重要原因之一为该温度下催化剂活性好。( )
2．下列有关以H2和N2为原料气的工业合成氨反应的说法不正确的是( )
A．属于放热反应
B．ΔS>0
C．属于可逆反应
D．在恒容容器中反应，压强逐渐减小
3．已知298 K时，合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，将此温度下的1 ml N2和3 ml H2放在一密闭容器中，在催化剂存在条件下进行反应，测得反应放出的热量(忽略能量损失)( )
A．一定大于92.4 kJ B．一定等于92.4 kJ
C．一定小于92.4 kJ D．不能确定
4．工业合成氨中，下列措施有利于提高平衡转化率的是( )
A．升高温度
B．从体系中分离出氨
C．使用催化剂
D．恒温恒容下，充入稀有气体
5．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NH3的含量(体积分数)的变化情况[投料比V(N2)∶V(H2)＝1∶3]。
(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℃、30 MPa时，N2的转化率为________。
(4)工业上实际生产氨时，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：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
核心素养——探究·分享
提升点 工业生产的条件选择及解析
例 哈伯发明用氮气和氢气合成氨的方法，获得了1918年诺贝尔化学奖。其原理为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0，ΔS________(填“>”“<”或“＝”)0。
(1)下列关于工业合成氨的说法不正确的是________(填标号)。
A．因为ΔH<0，所以该反应一定能自发进行
B．采用高压是为了增大反应速率，但会使反应物的转化率降低
C．在高温下进行是为了提高反应物的转化率
D．使用催化剂增大反应速率是因为催化剂降低了反应的活化能
(2)在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是________(填标号)。
a．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2
b．3v正(N2)＝v逆(H2)
c．容器内压强保持不变
d．混合气体的密度保持不变
(3)工业上合成氨的部分工艺流程如图：
请用平衡移动原理解释在工艺流程中及时分离出氨气和将NH3分离后的原料气循环使用的原因________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)某科研小组研究在其他条件不变的情况下，改变起始时氢气的物质的量对工业合成氨反应的影响。实验结果如图所示(图中T表示温度，n表示H2的物质的量)。
①图中T2和T1的关系：T2________(填“>”“<”或“＝”)T1。
②a、b、c、d四点所处的平衡状态中，N2的转化率最高的是________(填字母)。
(5)恒温下，向一个4 L的密闭容器中充入5.2 ml H2和，反应过程中对NH3的浓度进行测定，得到的数据如表所示：
①此条件下该反应的化学平衡常数K＝________。
②若维持容器容积不变，温度不变，向原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4 ml，化学平衡将向________(填“正”或“逆”)反应方向移动。
(6)已知：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1
N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH＝＋181 kJ·ml－1
2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH＝－483.6 kJ·ml－1
写出氨气催化氧化生成NO和水蒸气的热化学方程式________________________________________________________________________。
状元随笔
[提升] 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。不同压强和温度下，反应达到平衡时，SO2的转化率如表所示(原料气各成分的体积分数为SO2：7% O2：11% N2：82%)。
(1)SO2的氧化反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)根据表中信息，你认为工业上将SO2转化为SO3的适宜条件是________。
(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？________ (填“是”或“否”)。
(4)若保持温度和容积不变，平衡后通入氧气，再达平衡时则SO2的浓度________(填“增大”或“减小”)。
(5)若保持温度和压强不变，平衡后通入He，SO3的含量________(填“增大”或“减小”)。
关键能力
工业生产中化学反应条件的优化
1．化学反应条件选择的基本原则
化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产中起着重要作用，在实际生产中应当运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡规律，既考虑反应进行的快慢，又考虑反应的限度，在这个过程中还要坚持以下三个原则：
(1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。
(2)既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的要求。
(3)既要注意理论上的需要，又要考虑实际生产(如设备条件、安全操作、经济成本等)的可能性。
2．化学反应条件优化的基本思路
(1)从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变、反应的方向四个角度分析反应的特点。
(2)根据反应特点具体分析外界条件对化学反应速率和反应限度的影响；从化学反应速率和反应限度的角度综合分析，再充分考虑实际情况，选择适宜的外界条件。
(3)工业生产中化学反应条件优化的理论依据
素养形成——自测·自评
1.工业上合成氨一般采用500 ℃左右的温度，其原因是( )
①适当增大NH3的合成速率 ②提高氢气的转化率 ③提高氨的产率 ④催化剂在500 ℃左右活性最大
A．①B．①③
C．①④ D．②③④
2．合成氨时既要提高氨的产率，又要增大反应速率，可采取的办法是( )
①减压 ②加压 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合物中分离出NH3 ⑥充入N2或H2 ⑦加催化剂 ⑧减小N2或H2的物质的量
A．③④⑤⑦ B．①②⑤⑥
C．②⑥D．②③⑥⑦
3．CO和NO都是汽车尾气中的有害物质，它们之间能缓慢发生反应：2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g) ΔH<0，现利用此反应，拟设计一种环保装置，用来消除汽车尾气对大气的污染，下列设计方案可以提高尾气处理效果的是( )
①选用合适的催化剂 ②提高装置温度 ③降低装置的压强 ④向装置中放入碱石灰
A．①③ B．②④
C．①④ D．②③
4．如图所示为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是( )
A.步骤①中“净化”可以防止催化剂“中毒”
B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率
C．步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D．液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂
5．氢能是一种极具发展潜力的清洁能源，CH4­H2O催化重整是目前大规模制取氢气的重要方法。
(1)CH4­H2O催化重整：
反应Ⅰ：CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)
ΔH1＝＋210 kJ·ml－1
反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41 kJ·ml－1
①提高CH4的平衡转化率的条件是________(填字母)。
a．增大压强
b．加入催化剂
c．增大水蒸气浓度
②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的热化学方程式是________________________________________________________________________。
③在密闭容器中，将2.0 ml CO与8.0 ml H2O混合加热到800 ℃发生反应Ⅱ，达到平衡时CO的转化率是80%，其平衡常数为________。
(2)实验发现，其他条件不变，相同时间内，向催化重整体系中投入一定量的CaO可以明显提高H2的百分含量。做对比实验，结果如图所示：
①投入CaO时，H2百分含量增大的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
②投入纳米CaO时，H2百分含量比加入微米CaO时增大的原因是________________________________________________________________________。
(3)反应中催化剂活性会因积炭反应而降低，相关数据如下表：
①研究发现，如果反应Ⅰ不发生积炭过程，则反应Ⅱ也不会发生积炭过程。因此，若保持催化剂的活性，应采取的条件是
________________________________________________________________________。
②如果Ⅰ、Ⅱ均发生了积炭反应，通入过量水蒸气能有效清除积炭，反应的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
第四节 化学反应的调控
必备基础
新知预习
一、
1．(2)放 < 减小 < 减小
2．增大 升高 增大 使用 增大 降低 增大
二、
1．(1)材料的强度 设备的制造 越大 (2)10～30
2．(2)400～500
3．(2)降低 (3)活性
即学即练
1．(1)× (2)√ (3)× (4)√
2．解析：工业合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝，该反应为放热反应，A项正确；该反应为气体分子数减小的反应，则ΔS<0，B项错误；H2和N2合成NH3的反应为可逆反应，C项正确；建立平衡的过程中，气体分子数逐渐减小，容器内压强逐渐减小，D项正确。
答案：B
3．解析：由合成氨的热化学方程式可知，1 ml N2和3 ml H2完全反应，放出92.4 kJ热量，而合成氨反应为可逆反应，故1 ml N2和3 ml H2不可能完全反应，则达到平衡时，放出的热量小于92.4 kJ，C项正确。
答案：C
4．解析：合成氨反应的ΔH<0，升温，平衡向NH3分解的方向移动，平衡转化率减小，A项不符合要求；从体系中分离出氨，可降低混合气体中NH3的含量，从而使平衡向生成NH3的方向移动，平衡转化率增大，B项符合要求；使用催化剂只能增大合成氨的反应速率，不能改变化学平衡，平衡转化率不变，C项不符合要求；恒温恒容下，充入稀有气体，不能改变反应体系中H2、N2、NH3的浓度，平衡不移动，则平衡转化率不变，D项不符合要求。
答案：B
5．解析：(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，NH3的含量减小，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应。
(2)由反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0知，合成氨的适宜条件是低温、高压，在低温、高压的条件下平衡向右移动，反应物的转化率增大。
(3)假设N2的用量为1 ml, H2的用量为3 ml，N2的消耗量为x ml，则：
N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
初始量/ml 1 3 0
转化量/ml x 3x 2x
平衡量/ml 1－x 3－3x 2x
平衡时NH3的含量为×100%＝26.4%，得x≈0.417 7，则α(N2)＝×100% ＝41.77%。
(4)增大反应物浓度或降低生成物浓度均有利于平衡向正反应方向移动。
答案：(1)逆反应 放热 (2)C (3)41.77%
(4)加入过量N2(或H2)(或及时从平衡体系中移走NH3)
核心素养
例 解析：合成氨反应为气体分子数减小的反应，故为熵减反应，即ΔS<0。(1)由ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，该反应需在一定温度下才能自发进行，A项错误；该反应为气体分子数减小的反应，因此高压可提高反应物的转化率，B项错误；该反应的ΔH<0，升温使平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C项错误；催化剂可改变反应历程，降低反应活化能，D项正确。(2)a项，容器中N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2是反应可能达到的一个特殊状态，与该反应是否达到平衡状态无关；b项，由化学方程式可知，v(H2)＝3v(N2)，则由3v正( N2)＝v逆(H2)可知，v正(H2)＝v逆(H2)，说明该反应达到平衡状态；c项，该反应达到平衡前，压强逐渐减小，则容器内压强保持不变说明该反应达到平衡状态；d项，恒容容器，容积不变，容器内混合气体的质量不变，则混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度保持不变不能作为该反应达到平衡的标志。 (3)及时分离出氨气，可减小生成物的浓度，从而可使平衡正向移动，提高产率，将NH3分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率。 (4)①达到平衡时，T2时NH3的体积分数大于T1时NH3的体积分数，则T2 N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)
起始量/ml 2 5.2 0
转化量/ml 0.4 1.2 0.8
平衡量/ml l．6 4.0 0.8
平衡浓度/(ml·L－1) 0.4 1.0 0.2
平衡常数K＝＝0.1。
②向原平衡体系中加入4 ml N2、4 ml H2、4 ml NH3，则c(N2)＝＝1.4 ml·L－1，c(H2)＝＝2 ml·L－1，c(NH3)＝＝1.2 ml·L－1，Qc＝≈0.13>K，故化学平衡逆向移动。 (6)已知的3个反应，从上至下依次标记为①、②、③，根据盖斯定律，由②×2＋③×3－①×2得4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝＋181 kJ·ml－l×2＋(－483.6 kJ·ml－1)×3－(－92.4 kJ·ml－1)×2＝－904 kJ·ml－1。
答案：< (1)ABC (2)bc (3)减小生成物的浓度，可使平衡正向移动，提高产率；将NH3分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率 (4)①< ②c (5)①0.1 ②逆
(6)4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－904 kJ·ml－1
提升 解析：(1)由表中数据可知，压强一定时，升高温度，SO2的平衡转化率降低，说明升高温度，平衡逆向移动，因此二氧化硫的氧化反应是放热反应；(2)400～500 ℃时，SO2的转化率都比较高，适当升高温度虽然会牺牲一些SO2的转化率，但是可以显著增大反应速率；压强越大，SO2的转化率越高，但是10 MPa对生产设备的要求较高，生产成本也会增大，产生的额外收益却不高，因此选1 MPa即可；(3)催化剂不改变平衡移动，因此不能提高SO2的转化率；(4)通入氧气相当于提高反应物的浓度，平衡正向移动，因此二氧化硫的浓度减小；(5)保持压强不变充入氦气，容器的容积增大，各气体的浓度减小，平衡向气体分子数增大的方向移动，即逆向移动，因此三氧化硫的含量减小。
答案：(1)放热 (2)1 MPa、400～500 ℃ (3)否 (4)减小
(5)减小
素养形成
1．解析：温度较高，化学反应速率较快，①正确；工业合成氨的反应为放热反应，则升高温度时，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，NH3的产率降低，②、③错误；催化剂活性受温度影响较大，工业合成氨普遍使用铁触媒作为催化剂，它在500 ℃左右时的活性最大，④正确，故C项正确。
答案：C
2．解析：增大压强、降低温度、及时从平衡混合物中分离出NH3、充入N2或H2均能提高氨的产率；增大压强、升高温度、充入N2或H2加催化剂均能增大反应速率，故②⑥符合题意，即C项正确。
答案：C
3．解析：选用合适的催化剂虽不能提高反应物的平衡转化率，但能增大反应速率；因为该反应的正反应为放热反应，所以升高温度，平衡向逆反应方向移动；该反应的正反应为气体分子数减小的反应，因此降低压强，能使平衡向逆反应方向移动；向装置中放入碱石灰能吸收CO2，使CO2的浓度降低，平衡向正反应方向移动。综上可知，C项符合题意。
答案：C
4．解析：步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应是气体分子数减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移动，即可提高原料转化率，增大压强，可以使反应物浓度增大，则可增大反应速率，B项正确；步骤③为“催化反应”，催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转化率，C项错误；氨是制备氮肥的原料，氨的液化温度低，可以作为制冷剂，D项正确。
答案：C
5．解析：(1)①增大压强，反应Ⅰ逆向移动，CH4的平衡转化率降低，a错误；加入催化剂，平衡不移动，CH4的平衡转化率不变，b错误；增大水蒸气浓度，平衡正向移动，CH4的平衡转化率提高，c正确。
②分析反应Ⅰ、Ⅱ，根据盖斯定律，由Ⅰ＋Ⅱ可得CH4(g)＋2H2O(g)⇌CO2(g)＋4H2(g)，ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝(＋210 kJ·ml－1)＋(－41 kJ·ml－1)＝＋169 kJ·ml－1。
③设容器的容积为1 L，达到平衡时CO的转化率是80%，按“三段式”法计算：
CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)
2.0 8.0 0 0
1.6 1.6 1.6 1.6
0.4 6.4 1.6 1.6
则反应Ⅱ的平衡常数K＝
＝＝1.0。
(2)①CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的反应为CH4(g)＋2H2O(g)⇌CO2(g)＋4H2(g)，投入CaO时，CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2百分含量增大。
②投入纳米CaO时，纳米CaO颗粒小，表面积大，与CO2充分接触并反应，使反应速率加快。
解析：(3)①反应Ⅰ的积炭过程是气体总分子数增加的吸热反应，若保持催化剂的活性，应使反应Ⅰ不发生积炭过程，使平衡逆向移动，故应采取的措施是增大压强、降低温度。②若反应Ⅰ、Ⅱ均发生了积炭反应，则含有大量C(s)、CO2(g)和H2(g)，通入过量水蒸气能有效清除积炭，C(s)与H2O(g)反应生成CO、H2，化学方程式为C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)。
答案：(1)①c ②CH4(g)＋2H2O(g)⇌CO2(g)＋4H2(g) ΔH＝＋169 kJ·ml－1 ③1.0
(2)①CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2百分含量增大 ②纳米CaO颗粒小，表面积大，与CO2充分接触，使反应速率加快
(3)①降低温度、增大压强 ②C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)
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
______反应物浓度
______温度
______压强
______
催化剂
提高平衡混合
物中氨的含量
______反应物浓度
______温度
______压强
—
压强/MPa
NH3的含量/%
温度/℃
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
时间/min
5
10
15
20
25
30
c(NH3)/
(ml·L－1)
0.08
0.14
0.18
0.20
0.20
0.20
压强/MPa
转化率/%
温度/℃
0.1
0.5
1
10
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
外界
条件
有利于使反应
速率增大的条
件的控制
有利于平衡移动
的条件的控制
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
不断补充反应物、
及时分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
无影响
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH<0
低温
兼顾化学反应速率和化学平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0
高温
兼顾实际生产条件，考虑催化剂的适宜温度
压强
高压(有气体参加)
气体分子数减小的反应
高压
在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
气体分子数增大的反应
低压
兼顾化学反应速率和化学平衡
反应
Ⅰ
Ⅱ
CH4(g)C(s)＋2H2(g)
2CO(g)C(s)＋CO2(g)
ΔH
(kJ·ml－1)
＋75
－173