高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控导学案

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第四节　化学反应的调控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意义，能讨论化学反应条件的选择和优化。科学态度与社会责任2.能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。科学态度与社会责任要点一　合成氨反应1．反应原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol2．反应特点合成氨反应是一个能自发进行的、气体体积减小的、放热的可逆反应。3．工业合成氨生产条件的选择(1)增大合成氨反应速率的方法 (2)提高平衡混合物中氨的含量的方法要点二　合成氨反应条件的控制压强合成氨时压强越大越好，但压强增大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa温度低温能提高平衡转化率，但会使化学反应速率减小，这在工业生产中是很不经济的。目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃催化剂即使在高温、高压下，合成氨反应仍然进行得十分缓慢。目前工业普遍使用铁触媒催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。该催化剂在500 ℃左右时的活性最大。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化浓度①采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。②将氨分离后的原料气循环使用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应要点三　化学反应的调控1．影响化学反应进行的因素(1)参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素。(2)温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。2．化学反应的调控(1)含义 通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。(2)考虑实际因素 ①结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找合适的生产条件。②根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)增大压强，反应速率加快，转化率增大，故合成氨压强越大越好。(　　)(2)合成氨温度选择500 ℃左右，主要是从反应速率角度考虑。(　　)(3)使用催化剂既能提高反应速率，也能增大转化率。(　　)(4)升高温度，化学反应速率一定增大，但转化率不一定增大。(　　)(5)化工生产时，选用催化剂要考虑催化效率和反应的活性温度。(　　)答案 (1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√工业生产条件的选择要注意以下几点：(1)既要注意反应条件对反应影响的一致性，又要注意反应条件对反应影响的矛盾性；(2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；(3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。考点　化工生产反应条件的优化硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol－1。如表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：压强转化率温度1×105 Pa1×106 Pa5×106 Pa1×107 Pa450 ℃97.5%99.2%99.6%99.7%550 ℃85.6%94.9%97.7%98.3%(1)根据上表中的数据分析，制取SO3时为什么不采用高压？(2)在生产中，通入过量空气的目的是什么？(3)在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是什么？答案 (1)在常压下SO2的转化率已经很高(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。(2)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率。(3)①较高温度有利于加快反应速率，提高单位时间内SO3的产率；②在此温度下催化剂的活性高；③温度更高时，不利于反应正向进行，且增加成本。1．工业生产中选择适宜生产条件的原则 外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡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补充反应物，且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，尽量采取高温并选取适宜的催化剂压强高压(有气体参加)ΔVg<0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压ΔVg>0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强2．工业反应条件优化的解题思路(1)抓住反应特点：热效应ΔH<0或ΔH>0、反应前后气体体积变化ΔVg<0或ΔVg>0。(2)运用平衡规律：把外界条件对化学反应速率及化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。(3)准确分析数据：结合测定反应实验数据，准确分析反应条件，解决化学反应的调控。【例题】 如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题：(1)若反应中生成2 mol氨，则反应____(填“吸热”或“放热”)____kJ。(2)图中曲线(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是________________________________________。(3)合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是____(填字母)。A．600 ℃  B．550 ℃ C．500 ℃  D．450 ℃(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如表：t/minCH4(mol·L－1)H2O(mol·L－1)CO(mol·L－1)H2(mol·L－1)00.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.33①表中x＝____；前2 min内CH4的平均反应速率为________。②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是____(填字母)。A．充入水蒸气  B．升高温度C．使用催化剂  D．充入氢气解析 (1)由题图中能量变化可知，N2与H2具有的总能量高于NH3具有的总能量，故该反应为放热反应，并且每生成2 mol NH3放出(600－508) kJ＝92 kJ热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4)①前2 min内CH4的平均反应速率v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1，列式可得：　　　　　　　　　　　CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)起始(mol·L－1)  　　　　0.2      0.3      0        00～3 min转化(mol·L－1)  0.1      0.1      0.1      0.32和3 min时(mol·L－1)   0.1      0.2      0.1      0.33～4 min转化(mol·L－1)  0.01     0.01     0.01     0.034 min时(mol·L－1)       0.09     0.19     0.11     0.33所以x＝0.11。②3 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应大于0.2 mol·L－1，A项错误；若升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生成物浓度均增加，且变化量之比正好等于化学方程式的化学计量数之比，该条件符合要求，B项正确；使用催化剂，平衡不移动，C项错误；充入H2，平衡向左移动，反应物浓度均应大于2 min时的浓度，D项错误。答案 (1)放热　92　(2)b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　(3)D　(4)①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B【变式】 存在平衡体系CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)(正反应为放热反应)，为了增加甲醇的产量，提高生产效益，应采取的正确措施是(　　)A．高温、高压B．适宜的温度、高压、催化剂C．低温、低压D．高温、高压、催化剂答案　B解析　首先分析反应特点，正反应为气体分子数减小的放热反应；再分析题目要求，为了增加甲醇的产量，提高生产效益，即生成甲醇的反应速率要快，且甲醇的平衡浓度也应尽可能大；最后，理论和实际相结合作出判断：影响因素反应速率分析化学平衡分析综合选择温度高温低温适宜温度压强高压高压高压催化剂使用催化剂无影响使用催化剂1．(合成氨反应的速率)对于合成氨反应，达到平衡后，下列分析正确的是(　　)A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大答案　B解析　A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是升温对吸热反应的反应速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨反应的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应的反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响程度相同，错误。2．(合成氨反应的限度)下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　)A．铁触媒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．增大压强能缩短达到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答案　C解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡发生移动，只能缩短反应达到平衡状态所用的时间，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，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。3．(反应条件的优化与选择)一定条件下：2NO2(g)N2O4(g)　ΔH <0。在测定NO2的相对分子质量时，下列条件中，测定结果误差最小的是(　　)A．温度0 ℃、压强50 kPaB．温度130 ℃、压强300 kPaC．温度100 ℃、压强100 kPaD．温度130 ℃、压强50 kPa答案　D解析　2NO2(g)N2O4(g)　ΔH <0，则升高温度和降低压强均有利于平衡逆向移动，使得NO2的含量增大，测定NO2的相对分子质量的误差最小，D项符合题意。4．(合成氨反应的限度)在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　)A．改变条件后速率—时间图像如图所示 B．此过程中Q>KC．平衡体系中NH3的含量增大D．N2的转化率增大答案　D解析　分离出NH3，Q<K，v正>v逆，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，A、B项错误，D项正确；由于分离出NH3，平衡体系中NH3的含量减小，C项错误。5．(综合应用)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经过一定条件下的反应，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500 ℃左右并不是从化学平衡的影响中分析得出的，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是从化学平衡理论中分析得出的，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)合成氨的反应，压强增大，平衡向生成NH3的方向移动，c曲线符合温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的百分含量降低，a曲线符合。答案 (1)NH3　(2)BC　(3)c　a