鲁科版高考化学一轮总复习第6章第2节素养提升13化学平衡的调控在化工生产中的应用课时学案

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1．总体原则
(1)化工生产适宜条件选择的一般原则
(2)平衡类问题需考虑的几个方面
①原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响；
②原料的循环利用；
③产物的污染处理；
④产物的酸碱性对反应的影响；
⑤气体产物的压强对平衡造成的影响；
⑥改变外界条件对多平衡体系的影响。
2．典型实例——工业合成氨
(1)反应原理
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1
(2)反应特点：①反应为可逆反应；②正反应为放热反应；③反应物、反应产物均为气体，且正反应为气体物质的量减小的反应。
(3)反应条件的选择
(4)原料气的充分利用
合成氨反应的转化率较低，从原料充分利用的角度分析，工业生产中采用循环操作的方法可提高原料的利用率。
1．合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是( )
①减压 ②加压 ③升温 ④降温 ⑤补充N2或H2 ⑥加催化剂 ⑦减小N2或H2的量
A．③④⑤⑦ B．②⑤⑥ C．②⑤ D．②③⑥⑦
C 解析：合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0的特点为正反应放热且反应前后气体分子总数减小，要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，可采用加压、增加反应物的量的方法。
2．下图所示为工业合成氨的流程图。有关说法错误的是( )
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，又可以加快反应速率
C．步骤③、④、⑤均有利于提高原料的转化率
D．产品液氨除可生产化肥外，还可用作制冷剂
C 解析：合成氨使用含铁催化剂，为防止催化剂中毒，须将原料“净化”处理，A项正确；步骤②中“加压”，可增大氮气、氢气浓度，既加快合成氨反应速率又能使平衡正向移动，提高原料转化率，B项正确；合成氨反应放热，步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率，同时使用催化剂也不能使平衡发生移动，步骤④、⑤有利于提高原料的转化率，C项错误；产品液氨可用酸吸收生成的铵态氮肥，液氨蒸发会吸收大量热，可用作制冷剂，D项正确。
3．Ⅰ.氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数K的值。
①分析数据可知：大气固氮反应属于________(填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是____________________________________________________________。
(2)工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线，如图所示的图示中，正确的是________(填“A”或“B”)；比较p1、p2的大小关系：______________。
Ⅱ.目前工业合成氨的原理是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。
(3)在一定温度下，将1 ml N2和3 ml H2混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 ml。
①达平衡时，H2的转化率α1＝________。
②已知平衡时，容器压强为8 MPa，则平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
解析：Ⅰ.(1)①由表中数据可知随温度从27 ℃升高到 2 000 ℃，K值增大，平衡向正反应方向移动，说明正反应是吸热反应；②大气固氮的K值小，转化率低。(2)工业固氮，随温度升高，K值减小，平衡向逆反应方向移动，N2的转化率降低，所以A正确。取相同的温度，p1→p2，N2的转化率升高，说明平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，说明压强增大，p2＞p1。
Ⅱ.(3)①设达到平衡时，反应的N2的物质的量为 a ml，列三段式：
N2 ＋3H22NH3
n(始)/ml 1 3 0
n(变)/ml a 3a 2a
n(平)/ml 1－a 3－3a 2a
由(1－a)＋(3－3a)＋2a＝2.8解得，a＝0.6，H2的转化率为60%。②N2的平衡分压为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,7)×8)) MPa，H2、NH3的平衡分压均为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,7)×8))MPa，Kp＝eq \f(p2NH3,pN2·p3H2)＝eq \f(49,192)。
答案：Ⅰ.(1)①吸热 ②大气固氮的K值小，正向进行的程度小(或转化率低)，不适合大规模生产
(2)A p2＞p1
Ⅱ.(3)①60% ②eq \f(49,192)(或0.255或0.26)
4．“丁烯裂解法”是一种重要的丙烯生产方法，但生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。
测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(w)随温度(t)和压强(p)变化的趋势分别如图1和图2所示。
图1 图2
(1)平衡体系中丙烯和乙烯的质量比是工业生产丙烯时选择反应条件的重要指标之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，从图1和图2中表现的趋势来看，下列反应条件最适宜的是________(填标号)。
A．300 ℃ 0.1 MPa
B．700 ℃ 0.1 MPa
C．300 ℃ 0.5 MPa
D．700 ℃ 0.5 MPa
(2)有研究者结合图1数据并综合考虑各种因素，认为450 ℃的反应温度比300 ℃或700 ℃更合适，从反应原理的角度分析其理由可能是___________________________________________________。
(3)图2中，随压强增大平衡体系中丙烯的质量分数呈上升趋势，从平衡的角度解释其原因是_________________________________。
解析：(1)由题图1可知，300 ℃时，乙烯的质量分数最低，虽然丙烯的质量分数不是最高，但丙烯与乙烯的质量比最大。由题图2可知，当压强为0.5 MPa时，乙烯的质量分数最低，丙烯的质量分数最高，则丙烯与乙烯的质量比最大，故最适宜的条件为300 ℃、0.5 MPa。
答案：(1)C
(2)450 ℃比300 ℃的反应速率快，比700 ℃的副反应程度小；该温度下丁烯转化成丙烯的转化率高；该温度下催化剂的选择性最高；该温度是催化剂的活性温度(合理即可)
(3)压强增大，生成乙烯的副反应平衡逆向移动，丁烯浓度增大，导致主反应的平衡正向移动，从而使丙烯含量增大条件
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
注意催化剂的活性对温度的限制
反应条件
对化学反应速率的影响
对平衡混合物中氨含量的影响
合成氨条件的选择
增大
压强
增大反应速率
平衡正向移动，提高平衡混合物中氨的含量
压强增大，有利于氨的合成，但需要动力大，对材料、设备的要求高
升高温度
增大反应速率
平衡逆向移动，降低平衡混合物中氨的含量
温度要适宜，既要保证反应有较快的速率，又要使反应物的转化率不能太低，故采用400～500 ℃的温度，并且在该温度下催化剂的活性最大
使用催化剂
增大反应速率
没有影响
工业上一般选用铁触媒做催化剂
反应
大气固氮N2(g)＋O2(g)2NO(g)
工业固氮N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
温度/ ℃
27
2 000
25
400
450
平衡常
数K
3.84×10－31
0.1
5×108
0.507
0.152