2021版新高考地区选考化学（人教版）一轮复习教师用书：小专题突破9　化学反应的调控

小专题突破9　化学反应的调控

——变化观念与平衡思想、科学态度与社会责任

[专题精讲]

影响化学反应进行的因素有两个方面，首先是参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。化学反应的调控，就是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。在实际生产中常常需要结合设备条件、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，寻找一个适宜的生产条件。此外，还要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。

1．化工生产适宜条件选择的一般原则

(1)从化学反应速率分析，既不能过快，又不能太慢。

(2)从化学平衡移动分析，既要注意外界条件对反应速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性。

(3)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。

(4)从实际生产能力分析，如设备承受高温、高压能力等。

(5)注意催化剂的活性对温度的限制。

2．平衡类问题需综合考虑的几个方面

(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。

3．化学反应调控的实例——工业合成氨

(1)反应原理

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－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、生成物均为气体，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)综上，工业上通常采用铁触媒、在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下合成氨。

(5)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，工业生产中可采用循环操作的方法提高原料的利用率。

[专题精练]

1．(2020·长春质检)二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”，由合成气制备二甲醚的主要原理如下：

①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH1＝－90.7 kJ·mol－1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－23.5 kJ·mol－1

③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH3＝－41.2 kJ·mol－1

回答下列问题：

(1)反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝____________kJ·mol－1。下列措施中，能提高CH3OCH3产率的有__________(填字母)。

A．使用过量的CO

B．升高温度

C．增大压强

(2)反应③能提高CH3OCH3的产率，原因是__________________________________。

(3)将合成气以＝2通入1 L的反应容器中，一定条件下发生反应：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，则CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图所示，下列说法正确的是____________(填字母)。

A．ΔH<0

B．p1<p2<p3

C．若在p3和316 ℃时，起始时＝3，则达到平衡时，CO转化率小于50%

答案：(1)－246.1　AC

(2)反应③消耗了反应②的H2O(g)，有利于反应②正向进行，同时生成了H2

(3)A

2．化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。

(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：

TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH>0(Ⅰ)

如图所示，反应(Ⅰ)在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________(填“>”“<”或“＝”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是____________。

(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为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___________________________。

解析：(1)由题意可知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2===TaI4＋S2，②TaI4＋S2===TaS2＋2I2，即反应(Ⅰ)先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应(Ⅰ)的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，则ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在题给压强下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。

答案：(1)<　I2

(2)<　在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加

3．煤炭是重要的化工原料，但属于不可再生能源，高效、清洁地利用煤炭资源至关重要。请回答下列问题：

(1)煤的气化

原理是C(s)＋2H2(g)CH4(g)　ΔH。

在1 L密闭容器中投入1 mol碳，并充入2 mol H2，测得相关数据如图所示。

①有关图1、图2的说法正确的有____________(填字母)。

a．p1<6 MPa

b．T1<1 000 K

c．ΔH<0

d．工业生产中，当温度为T2时，压强越高，经济效益越好

②图2中A点对应的平衡常数Kp＝____________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。

(2)煤生产水煤气和半水煤气

①工业上用煤生产作为合成氨原料气的水煤气，要求气体中(CO＋H2)与N2的体积之比为3.1～3.2，发生的反应有C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)，C(s)＋O2(g)CO(g)。从能量角度考虑，通入空气的目的是________________________________________________。

②煤炭化工中有反应为CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)。在400 ℃时，反应物的物质的量均为1 mol，在绝热恒容条件下开始反应，下列不能说明反应达到平衡状态的有____________(填字母)。

a．体系的压强不再发生变化

b．混合气体的密度不变

c．混合气体的平均相对分子质量不变

d．各组分的物质的量浓度不再改变

e．体系的温度不再发生变化

f．v正(CO)＝v逆(H2O)

③如图是反应CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)　ΔH<0中CO和CO2的浓度随时间发生变化的曲线，则t2时刻改变的条件可能是____________(写出一种即可)。若t4时刻通过改变容积的方法将压强增大为原来的2倍，在图中t4～t5区间内画出CO、CO2浓度变化曲线，并标明物质名称(假设各物质状态均保持不变)。

解析：(1)①该反应为反应前后气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，碳的转化率增大，故p1<6 MPa，a项正确；根据图1可知，升高温度，碳的转化率减小，平衡逆向移动，则ΔH<0，图2中T1时碳的转化率大于1 000 K时的转化率，则T1<1 000 K，b、c项正确；压强增大，碳的转化率增大，但增大的幅度较小，并且增大压强对设备有一定的要求，故不是压强越高，经济效益越好，d项错误。②A点对应的碳的平衡转化率为50%，则生成0.5 mol CH4，剩余0.5 mol碳和1 mol H2，由于碳为固体，则p(H2)＝×4.5 MPa＝3 MPa，p(CH4)＝×4.5 MPa＝1.5 MPa，故Kp＝＝＝。

答案：(1)①abc　②　(2)①前者是吸热反应，通入空气后发生的反应是放热反应，可维持体系的热量平衡　②bc　③降低温度(或增大水蒸气的量、减少氢气的量)