化学选择性必修1第四节 化学反应的调控精品导学案

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02
预习导学
自主梳理
一、合成氨反应的限度
1.反应原理
已知在298 K 时，N2(g)+3 H2(g)⇌2 NH3(g) 的△H=−92.2 kJ⋅ml−1 ，△S=−198.2 J⋅K−1⋅ml−1 。
2.反应特点

① ② ③ ④ ⑤ ⑥
3.有利于合成氨的条件
a.外界条件：⑦ 温度、⑧ 压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
b.投料比：温度、压强一定时，N2 、H2 的体积比为⑨ 时平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率
1.提高合成氨反应速率的方法
① ② ③ ④
2.浓度与合成氨反应速率之间的关系
在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)⋅c1.5(H2)⋅c−1(NH3) ，由反应速率与参与反应的物质浓度的关系式可知：⑤ N2 或H2 的浓度，⑥ NH3 的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
三、合成氨生产的适宜条件
1.合成氨反应适宜条件分析
（1）选择合成氨生产条件时，既不能片面地追求高① ，也不应只追求高② ，而应该寻求③ 的反应条件。
（2）考虑原料的④ 、未转化的合成气（氮气和氢气）的⑤ 、⑥ 的综合利用等。
2.合成氨的适宜条件
【答案】
一、2.① 可逆 ② 减小 ③ ＜ ④ ＜ ⑤ ＜ ⑥ 能 3.a.⑦ 降低 ⑧增大 b.⑨ 1:3 。
二、1.① 升高 ② 增大 ③ 增大 ④ 催化剂 2.⑤ 增大 ⑥ 减小
三、1.（1）① 转化率 ② 反应速率 ③ 以较高的反应速率获取适当转化率
（2）④ 价格 ⑤ 循环使用 ⑥ 反应热 。2.（1）⑦ 700 K ⑧ 1:2.8 ⑨ 铁
预习检测
1．已知反应2NH3⇌N2+3H2，在某温度下的平衡常数为0.25，在此条件下，氨的合成反应N2+3H2⇌2NH3的平衡常数为
A．4B．2C．1D．0.5
【答案】A
【解析】反应2NH3⇌N2+3H2，在某温度下的平衡常数为0.25，在此条件下，其逆反应的平衡常数，故选A。
2．下列关于硫酸工业和合成氨工业说法错误的是
A．都采用了高压B．都使用了催化剂
C．生产流程中都有造气和净化D．都使用了热交换器
【答案】A
【解析】A．硫酸工业采用了催化剂加热条件，合成氨工业采用高温、高压、催化剂作用下反应，故A错误；
B．硫酸工业使用五氧化二钒作催化剂，合成氨工业使用铁触媒作催化剂，故B正确；
C．生产流程中都有造气和净化，防止杂质使催化剂中毒，降低催化效果，故C正确；
D．两个工业产生都是放热反应，两者都使用了热交换器，将放出的热量对原料进行热处理，可以降低成本，故D正确。
综上所述，答案为A。
3．在硫酸工业生产中，通过下列反应使SO2氧化成SO3： 2SO2(g) +O2(g) 2SO3(g) ΔH= -196.6kJ/ml。下 表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率
从化学反应速率、化学平衡及生产成本、产量等角度综合分析，在实际生产中有关该反应适宜条件选择的说法正确的是
A．SO2的转化率与温度成反比，故采用尽可能低的温度
B．该反应在450℃左右、1MPa (常压)下进行较为合适
C．SO2的转化率与压强成正比，故采用尽可能高的压强
D．为了提高的SO2的转化率，应使用合适的催化剂
【答案】B
【解析】A．由表格数据可知，SO2的转化率与温度成反比，降低温度平衡向正反应方向移动，但反应速率减小，不利于提高SO2的产量，故A错误；
B．在1MPa、450℃时SO3的平衡转化率（97.5%）就已经很高了，若继续增大压强，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故B正确；
C．由表格数据可知，SO2的转化率与压强成正比，但采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比其高压设备的高额造价，得不偿失，故C错误；
D．催化剂不能改变SO2的平衡转化率，故D错误；
故选B。
4．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是
A．硫酸工业中，为使黄铁矿充分燃烧，可将矿石粉碎
B．硝酸工业中，氨的氧化使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率
C．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
D．对于合成氨的反应，如果调控好反应条件，可使一种反应物的转化率达到100%
【答案】D
【解析】A．硫酸工业中，将矿石粉碎可以增大反应物的接触面积，有利于黄铁矿的充分燃烧，故A正确；
B．硝酸工业中，氨的氧化使用催化剂，可以降低反应的活化能，增大反应速率，提高生产效率，故B正确；
C．合成氨工业中，分离出液氨的混合气体中含有的氮气和氢气采用循环操作，有利于提高氮气和氢气的利用率，故C正确；
D．合成氨反应为可逆反应，可逆反应不可能完全反应，所以调控反应条件不可能使反应物的转化率达到100%，故D错误；
故选D。
5．关于工业合成NH3的说法中不正确的是
A．适当加压可提高氨的产率
B．加入催化剂可以加快反应速率
C．选择400-500℃是因该温度下氨的平衡产率最高
D．将含N2和H2的原料气循环使用可以提高原料的转化率
【答案】C
【解析】合成氨的反应为： 。
A．合成氨是气体体积减小的反应，适当增加压强平衡正向移动，可提高氨的产率，A正确；
B．加入催化剂可以加快反应速率，B正确；
C．对于放热反应而言温度越低氨的平衡产率更高，选择400-500℃是综合考虑该温度下反应速率和氨的产率，C错误；
D．将含N2和H2的原料气循环使用可以提高原料的转化率，D正确；
故选C。
6．德国化学家哈伯发明了以低成本制造氨的方法，大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料平衡转化率而采取的措施是
A．①②③④B．②③④C．②④⑤D．②⑤
【答案】C
【解析】合成氨的反应是气体体积减小的、放热的可逆反应。净化干燥的目的是提高产物纯度，不能提高转化率，①不符合；催化剂只改变反应速率，不影响平衡状态，不能提高转化率，③不符合；而②④⑤操作均使合成氨反应平衡向正反应方向移动，均能提高反应转化率；故选C。
探究提升
03
►环节一 工业合成氨适宜条件的选择
【情境材料】
自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产，经过研究人员的努力，几十年后建造了日产氨1 000吨的大型装置。
【问题探究】
1．工业生产中增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？
2．既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？
3．从工业合成氨的工艺流程图中可知，工业合成氨时为什么要通过冷却及时分离出液氨？
4．催化剂对化学平衡移动没有影响，为什么在合成氨工业中要使用催化剂？
【答案】1．不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，一般采用的压强为10 MPa～30 MPa。
2．不是。因为从平衡的角度考虑，低温有利于合成氨，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，所以实际生产中，采用的温度为400～500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
3．减少平衡混合气体中氨的浓度，使合成氨的平衡正向移动，提高反应物的转化率。
4．催化剂可加快反应速率，提高生产效率。
要点归纳
1．合成氨反应的适宜条件
在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合速率与平衡两方面的措施，得出合成氨的适宜条件：
(1)浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用。
(2)温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，400～500 ℃左右为宜，此温度也是催化剂活性温度范围。
(3)压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，压强增大，有利于氨的合成，但对设备要求也就很高，所需动力也越大，应选择适当压强，即10 MPa～30 MPa。
(4)催化剂：选用铁触媒，能加快反应速率，缩短达到平衡所需时间。
2．工业生产中选择适宜生产条件的原则
（1）从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。
（2）根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
（1）合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。
（2）工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
典例精讲
【例1】（2023春·江苏徐州·高二统考期中）合成氨反应为。图1表示在一定温度下此反应过程中的能量变化。图2表示在的密闭容器中反应时的物质的量随时间的变化曲线。图3表示在其他条件不变的情况下，改变起始物氢气的物质的量，平衡时的质量分数的变化曲线。
下列说法正确的是
A．该反应为自发反应，由图1可得加入适当的催化剂，E和都减小
B．图2中内该反应的平均速率，从起其他条件不变，压缩容器的体积为，则的变化曲线为d
C．图3中，a、b、c三点所处的平衡状态中，反应物的转化率最高的是b点
D．该反应平衡常数表达式为，图3中和表示温度，对应温度下的平衡常数为，则：
【答案】B
【解析】A．加入催化剂活化能E降低，但不影响焓变，△H不变，由图1可知，合成氨是焓减熵减过程，△G＜0反应自发进行，根据△G＝△H−T△S可知，该反应在低温下自发进行，故A错误；
B．由图2可知，0～10min内氮气的物质的量变化量为0.6ml−0.3ml＝0.3ml，，速率之比等于化学计量数之比，故v(H2)＝3v(N2)＝3×0.015ml/(L•min)＝0.045ml/(L•min)，11min压缩体积，压强增大，平衡向正反应移动，平衡时氮气的物质的量小于原平衡，故n(N2)的变化曲线为d，故B正确；
C．图3表示平衡时氨气含量与氢气起始物质的量关系，曲线上各点都处于平衡状态，故a、b、c都处于平衡状态，达平衡后，增大氢气用量，氮气的转化率增大，故a、b、c三点中，c的氮气的转化率最高，故C错误；
D．由图3可知，氢气的起始物质的量相同时，温度T1平衡后，氨气的含量更高，该反应为放热反应，降低温度平衡向正反应移动，故温度T1＜T2，温度越高化学平衡越低，故K1＞K2，故D错误；
故答案选B。
【例2】（2022秋·广东广州）为探究外界条件对反应： 的影响，以投料比开始反应，通过实验得到不同条件下反应达到平衡时Z的物质的量分数与压强及温度的关系，实验结果如图所示。下列判断正确的是
A．
B．a+b0，该反应是气体增加的反应，所以△S>0，故A错误；
B．使用催化剂只能加快反应速率，不能提高平衡转化率，故B错误；
C．反应的平衡常数可表示为正确。故C正确；
D．其他条件相同，减小的平衡转化率下降，NO的平衡转化率上升，故D错误；
答案选C。
10．（2022秋·江西南昌·高二南昌县莲塘第一中学校考阶段练习）已知A(g)+B(g)C(g)+D(g)反应的平衡常数和温度的关系如下：
830℃时，向一个2L的密闭容器中充入0.2ml的A和0.8ml的B，反应4s时测得C的物质的量n(C)=0.04ml，下列说法正确的是
A．4s时c(B)为0.76ml•L－1
B．830℃达平衡时，A的转化率为80%
C．反应达平衡后，升高温度，平衡正向移动
D．降低温度，反应C(g)+D(g)A(g)+B(g)的平衡常数增大
【答案】B
【解析】A．反应4s时测得C的物质的量n(C)=0.04ml，则参加反应的B的物质的量为0.04ml，c(B)==0.38ml•L－1，A不正确；
B．830℃达平衡时，设参加反应A的物质的量为x，则可建立如下三段式：
则，x=0.16ml，A的转化率为=80%，B正确；
C．由分析可知，正反应为放热反应，则反应达平衡后，升高温度，平衡逆向移动，C不正确；
D．A(g)+B(g)C(g)+D(g)为放热反应，则反应C(g)+D(g)A(g)+B(g)为吸热反应，降低温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，D不正确；
故选B。
11．（2022秋·山东青岛）在3个初始温度均为T℃的密闭容器中发生反应：2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g) △H1.6
B．b>0.8
C．平衡时v正(SO2)：v(Ⅰ)