2022年高考化学二轮复习核心素养提升24 化学平衡移动原理在化工生产中的广泛应用 (含解析)

素养说明：化学平衡在化工生产中有非常重要的应用，尤其是控制合适的反应条件使平衡向着理想的方向移动，是近几年高频考点，充分体现了学以致用的原则。

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·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)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可提高原料的利用率。

[题型专练]

1.某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)　ΔH＜0。下列有关该工业生产的说法中正确的是(　　)

A.这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行

B.若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率

C.工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高

D.工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率

解析　这是一个放热的熵减反应，只有当ΔH－TΔS＜0时，该反应才能自发进行，A错误；加入过量的B，可以提高A的转化率，B正确；升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；使用催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高反应物的转化率，D错误。

答案　B

2.(天津高考)合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为： 

N2 (g)＋3H2 (g)2NH3 (g)ΔH＝－92.4 kJ·mol－1

一种工业合成氨的简易流程图如下：

(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式： _____________________________________________________________________。

(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：

①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1

②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH＝－41.2 kJ· mol－1

对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，又能加快反应速率的措施是________。

a.升高温度  B.增大水蒸气浓度   

c.加入催化剂  D.降低压强

利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。 

(3)图1表示500 ℃、60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。

(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。

(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：______________________________________________________________________

_____________________________________________________________________。

解析　(1)依据题意，NH4HS被空气中氧气氧化，将－2价S元素氧化成S，同时生成一水合氨，其反应方程式为2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓。(2)结合反应特点，正反应方向是气体物质的量增大的吸热反应，若要加快反应速率又增加H2的百分含量，可升高温度，a项正确；增加水蒸气浓度，能加快反应速率，使平衡正向移动，但H2增加的量没有水蒸气增加的量多，H2的百分含量减少，b项错误；加入催化剂平衡不移动，H2的百分含量不变，c项错误；降低压强反应速率减慢，d项错误。根据“三段式”法有：

　　　　　CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

开始(mol)   0.2                  0     0.8

转化(mol)     x                  x     x

一定时间(mol)  0.2－x    x  0.8＋x

则0.2－x＋x＋0.8＋x＝1.18，解得x＝0.18，故CO转化率为×100%＝90%。

(3)根据“三段式”法有

　　　　　N2　＋　3H22NH3

开始(mol)  1        3          0

转化(mol)  x        3x        2x

平衡(mol)  1－x  3－3x  2x

×100%＝42%，解之，x＝，

所以N2的平衡体积分数×100%＝14.5%。

(4)由于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，反应开始时，温度大于零，随着反应进行，达到平衡前NH3的物质的量增加，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3的物质的量将减少，图示见答案。

(5)根据流程图可知，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是Ⅳ(热交换)，用合成氨放出热量对N2和H2进行预热。合成氨的正反应是气体物质的量减少的放热反应，为提高合成氨原料总转化率，又不降低反应速率，可采取对原料加压、分离液氨，使化学平衡正向移动，同时对未反应的N2、H2循环使用，提高原料转化率。

答案　(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓

(2)a　90%

(3)14.5%

(4)

(5)Ⅳ　对原料气加压，分离液氨，未反应的N2、H2循环使用