高中人教版 (2019)第四节 化学反应的调控学案设计

第四节　化学反应的调控

[核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。

一、合成氨反应的原理分析

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·mol－1，ΔS＝

－198.2 J·mol－1·K－1。

(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。

(2)可逆性：反应为可逆反应。

(3)体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。

(4)焓变：ΔH<0，是放热反应。

2．原理分析

根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。

3.数据分析

根据课本表2－2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。

(1)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好(　　)

(2)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(　　)

(3)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(　　)

(4)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨气的产率(　　)

(5)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×

在工业合成硫酸中，其中一步反应为2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1

(1)根据反应特点，利用原理分析，增大反应速率的措施有                              ，增大原料转化率的措施有                。

答案　增大SO2和O2的浓度，增大压强，升高温度，选用合适的催化剂　增大压强，降低温度(合理即可)

(2)利用下表实验数据回答问题：

①应选择的温度是        ，理由是                                               。

②应采用的压强是        ，理由是                                               。

答案　①450 ℃　该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 ℃反应物转化率较高

②1×105Pa　该压强下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高

 选择适宜工业生产条件的流程

(1)分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。

(2)原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。

(3)根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。

(4)根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。

二、工业合成氨的适宜条件

1．问题讨论

 (1)压强

①原理分析：压强越大越好。

②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。

③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。

(2)温度

①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。

②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。

③不采用低温的理由：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。

合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。

(3)催化剂

①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。

②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。

③选择催化剂的理由：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。

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。

(4)浓度

①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。

②采取的措施：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；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。

③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。

2．工业合成氨的适宜条件

3.合成氨的工艺流程

4．选择工业合成适宜条件的原则

(1)考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。

(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。

(3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。

(4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。

(1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好(　　)

(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行(　　)

(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率(　　)

(4)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(　　)

(5)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√

1．(2019·合肥高二检测)CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH    (填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是                 。

答案　<　在250 ℃、1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低

解析　从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求更高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。

2．丙烯腈(CH2==CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2==CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题：

以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：

①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1

②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)  ΔH＝－353 kJ·mol－1

(1)两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是                                       ；

(2)有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是                                        ；

(3)提高丙烯腈反应选择性的关键因素是                                            。

答案　(1)两个反应均为放热量大的反应　(2)降低温度、降低压强　(3)催化剂

解析　因为生成产物丙烯腈和丙烯醛的两个反应均为放热量大的反应，所以它们均可自发进行且热力学趋势大；反应①为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高丙烯腈的平衡产率；由生成丙烯腈的反应条件可知，提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。

 选择化工生产适宜条件的分析角度

随堂演练　知识落实

1．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　)

①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂

A．②④⑤⑦   B．②③④⑤⑦⑧

C．②⑤   D．②③⑤⑧

答案　C

解析　根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。

2．下列事实能用勒夏特列原理解释的是(　　)

A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨

B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深

C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应

答案　D

解析　A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释；C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取500 ℃左右，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。

3．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　)

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，但是温度对吸热反应的速率影响更大，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，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，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相同，错误。

4．(2020·保定高二检测)对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　)

答案　C

解析　A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。

5．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(aq)＋CO(g)＋NH3(g)[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)(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            。

答案　(1)低温、高压　(2)高温、低压

解析　(1)醋酸二氨合铜吸收CO的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。