人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡第四节 化学反应的调控导学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡第四节 化学反应的调控导学案，共12页。学案主要包含了能力打底　概念辨析，合成氨反应的特点，合成氨反应条件选择的理论分析，合成氨反应的适宜条件，合成氨工业的简要流程图等内容，欢迎下载使用。


1. 能运用温度、浓度、压强对化学平衡的影响规律，推测化学平衡移动的方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。
2. 能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活和实验中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。
3. 针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
一、能力打底 概念辨析
判断下列说法的正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。
(1) 高压比常压条件更有利于合成氨的反应。( √ )
(2) 使用铁触媒作催化剂，可提高合成氨反应的速率和平衡转化率。( × )
(3) 500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应，提高H2的平衡转化率。( × )
(4) 合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率。( √ )
(5) 将氨液化及时分离出去，反应速率和氢气的转化率均提高。( × )
(6) 合成氨工业采用高压，不仅能提高转化率，还能缩短到达平衡的时间。( √ )
二、合成氨反应的特点
可逆反应；正反应为放热、气体分子数减小的反应。
三、合成氨反应条件选择的理论分析
四、合成氨反应的适宜条件
五、合成氨工业的简要流程图
1. 原料气的制取
N2：将空气液化、蒸发分离出N2。
H2：C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))CO＋H2，CO＋H2O(g)eq \(=====,\s\up7(催化剂))CO2＋H2。
2. 制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。
3. 氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。
4. 氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。
合成氨工业中，原料气中的杂质CO在进入合成塔之前需经过铜氨溶液处理，其反应为[Cu(NH3)2]＋＋CO＋NH3[Cu(NH3)3CO]＋ ΔH＜0，吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，再生的适宜条件是( A )
A.高温、低压 B. 高温、高压
C. 低温、低压 D. 低温、高压
[解析] 醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，说明使平衡逆向移动，高温、低压有利于平衡逆向移动，A正确。
(2022·南菁中学)在下列合成氨事实中，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，不能用勒夏特列原理解释的是( C )
①使用铁作催化剂有利于合成氨的反应
②在高温下反应，更有利于合成氨的反应
③增大体系的压强，可以提高氨的产量
④在合成氨中要不断补充N2、H2的混合气
A.①③ B. ②④
C. ①② D. ③④
[解析] ①催化剂能改变化学反应速率，但不能改变平衡的移动，故不能用勒夏特列原理解释；②该反应的正反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，不利于合成氨的反应，但合成氨需催化剂催化反应，较高温度更有利于催化剂发挥作用，该事实不能用勒夏特列原理解释；③增大压强，平衡正向移动，故增大压强可提高氨的产量，可以用勒夏特列原理解释；④合成氨中不断补充N2、H2的混合气，反应物的浓度增大，平衡向正反应方向移动，可以用勒夏特列原理解释。故C正确。
纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g) ΔH<0。下列说法正确的是( B )
A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应物的转化率
B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大
C．从平衡体系中分离出H2O(g)能增大正反应速率
D．工业生产中采用高温条件，其目的是提高CO的平衡转化率
[解析] 纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应速率，但不能使平衡发生移动，因此物质的转化率不变，A错误；缩小容器体积，压强增大，化学平衡向气体体积减小的方向移动，但平衡移动的趋势是微弱的，所以缩小容器的体积，CO的浓度增大，B正确；从平衡体系中分离出H2O(g)，正反应速率瞬间不变，而后会逐渐减小，C错误；该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，工业生产中采用高温条件，其原因是高温下催化剂的活性高，能增大化学反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，D错误。
1. 合成氨工业发生反应：N2＋3H2eq \(,\s\up7(一定条件))2NH3。下列措施不是为了增大反应速率的是( D )
A.温度控制在500 ℃ B. 铁触媒作催化剂
C.压强控制在10 MPa～30MPa D. 混合气体中分离出液态氨
2. (2023·南通期末)工业上通常采用铁触媒、在400～500℃和10 MPa～30 MPa的条件下合成氨。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ/ml。下列说法正确的是( D )
A．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的ΔS＞0
B. 采用400～500℃高温有利于提高平衡转化率
C. 采用10 MPa～30 MPa的压强能增大反应的化学平衡常数
D. 使用铁触媒可以降低反应的活化能
[解析] N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的正反应方向气体分子总数减小，ΔS＜0，A错误；采用400～500℃的高温是有利于提高催化剂活性，增大反应速率，正反应是放热反应，升高温度平衡左移，平衡转化率减小，B错误；采用10 MPa～30 MPa的高压能增大反应速率，使平衡右移，但平衡常数只受温度影响，故增大压强不影响化学平衡常数，C错误；使用铁触媒可以降低反应的活化能，增大反应速率，D正确。
3. (2022·启东中学)硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关反应2SO2＋O2eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))2SO3的说法中错误的是( B )
A.实际生产中，SO2、O2再循环使用可提高原料的利用率
B.实际生产中，为了提高经济效益，压强越高越好
C.在生产中，通入过量空气的目的是提高SO2的转化率
D.实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度的主要原因是此温度下催化剂的活性最高
[解析] SO2、O2再循环使用可避免污染，提高原料的利用率，A正确；压强不能过大，在常压下转化率已经很大，且应考虑设备的承受力，B错误；氧气过量，可使平衡正向移动，提高SO2的转化率，C正确；正反应为放热反应，操作温度应考虑催化剂的活性以及反应的速率，D正确。
4. 氨催化氧化是硝酸工业的基础，在某催化剂作用下只发生主反应①和副反应②：
4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－905kJ/ml ①
4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g) ΔH＝－1268kJ/ml ②
有关物质产率与温度的关系如右图所示。下列说法中正确的是( A )
A.工业上氨催化氧化生成NO时，最佳温度应控制在780～840 ℃
B.工业上采用物料比eq \f(nO2,nNH3)为1.7～2.0，主要是为了增大反应速率
C.加压可提高NH3生成NO的转化率
D.N2氧化为NO的热化学方程式为N2(g)＋O2(g)2NO(g)
ΔH＝－181.5kJ/ml
[解析] 从图像可以看出，反应温度为780～840 ℃时，NO的产率最大，A正确；工业上采用物料比eq \f(nO2,nNH3)为1.7～2.0，主要是为了提高氨气的利用率，B错误；反应4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)中，反应物的化学计量数之和小于生成物的化学计量数之和，增大压强，平衡向逆反应方向移动，NO的转化率降低，C错误；根据盖斯定律可知，N2(g)＋O2(g)2NO(g) ΔH＝eq \f(－905－－1268,2)kJ/ml＝＋181.5kJ/ml，D错误。

1. 下列符合工业合成氨生产实际的是( B )
A.V2O5作催化剂 B. 反应温度由催化剂决定
C.将N2和H2液化 D. NH3由吸收塔吸收
2.(2023·扬州模拟)合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mlNH3(g)放出46 kJ的热量。下列有关合成氨反应的说法错误的是( D )
A．采用400～500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大
B. 采用高压主要是为了促进平衡向右移动
C. 采用铁触媒作为催化剂可以增大反应速率
D. 将0.5 mlN2(g)和1.5 mlH2(g)置于密闭容器中充分反应，放出热量46 kJ
[解析] 采用400～500 ℃高温，主要是因为该温度下催化剂的活性最大，A正确；合成氨的正反应为气体体积减小的反应，增大压强化学平衡正向移动，故宜采用高压的条件，B正确；采用铁触媒作为催化剂可以增大反应速率，C正确；合成氨反应为可逆反应，0.5 ml氮气和1.5 ml氢气无法全部转化为1 ml氨气，放出的热量少于46 kJ，D错误。
3. 炼铁高炉中冶炼铁的反应为Fe2O3(s)＋3CO(g)eq \(=====,\s\up7(高温))2Fe(s)＋3CO2(g)，下列说法正确的是( D )
A.升高温度，反应速率减小
B.当反应达到化学平衡时，v正＝v逆＝0
C.提高炼铁高炉的高度可减少尾气中CO的浓度
D.某温度下达到平衡时，eq \f(nCO,nCO2)不再随时间而变化
4. (2022·前黄中学)镧镍合金在一定条件下可吸收氢气形成氢化物：LaNi5(s)＋3H2(g)LaNi5H6(s) ΔH<0。欲使LaNi5H6(s)释放氢气，根据平衡移动原理，可改变的条件是( C )
A.增加LaNi5H6(s)的量 B. 降低温度
C.减小压强 D. 使用催化剂
[解析] 欲使LaNi5H6(s)释放氢气，则平衡逆向移动，该反应为气体体积减小的放热反应，可以升高温度或减小压强，C正确。
5. (2022·海门中学)下列有关合成氨工业的说法正确的是( B )
A.高温、低压、催化剂都有利于提高合成氨反应的速率
B.合成氨时将氨液化分离，可提高合成氨的产率
C.工业合成氨的反应是熵减的放热反应，任何温度下均可自发进行
D.目前，合成氨生产一般选择控制反应温度为700 ℃左右
[解析] 合成氨的反应是一个气体体积减小的放热反应，增大压强、升高温度、加入催化剂都可以增大反应速率，低压下反应速率减小， A错误；合成氨时，氨气是生成物，将氨液化分离，可促进平衡正向移动，提高合成氨的产率，B正确；工业合成氨的反应是熵减的放热反应，较低温度下可自发进行，高温下ΔH－TΔS可能大于0, C错误；目前，合成氨生产一般选择控制反应温度为700 K左右，D错误。
6. (2022·南京一中)合成氨工业的生产流程如右图，下列关于合成氨工业的说法中错误的是( B )
A.将混合气循环利用遵循绿色化学思想
B.合成氨反应须在低温下进行
C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D.使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动
[解析] 将混合气进行循环利用可以节约资源、提高原料的利用率，遵循绿色化学思想，A正确；降低温度，反应速率减小，为保证速率较大，催化剂的活性高，产物的产率又不低，则选择适宜的温度即可，不能在低温下进行， B错误；对原料气进行压缩，即增大压强，化学平衡正向移动，可以增大原料气的转化率， C正确；使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动， D正确。
7. 采用NH3作还原剂，将烟气以一定的流速通过两种不同的催化剂①、②，测量逸出气体中氮氧化物的含量，从而确定烟气脱氮率(如右图所示)。反应原理为NO(g)＋NO2(g)＋2NH3(g)2N2(g)＋3H2O(g)，下列相关说法正确的是( B )
A.上述反应的正反应为吸热反应
B.催化剂①、②分别适合于250 ℃和450 ℃左右脱氮
C.图中两条曲线的最高点表示此时平衡转化率最高
D.相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
[解析] 脱氮率达到最高点后继续升高温度，脱氮率降低，说明平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，A错误；两种催化剂分别在250 ℃和450 ℃左右催化效率最高，说明此时催化剂的活性最高，B正确；图像研究的是不同催化剂在不同温度下的活性比较，最高点为催化剂活性最高的状态，与平衡转化率无关，C错误；正反应为体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，脱氮率降低，D错误。
8.(2023·通州模拟)我国科研人员研制了Ti—H—Fe双温区催化剂(Ti—H区域和Fe区域的温度差可超过100 ℃)。利用该催化剂合成氨的反应历程如下图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是( B )
A．该历程中能量变化最大的是2.46 eV，是氮分子中氮氮三键的断裂过程
B. 在高温区增大了反应速率，低温区提高了氨的产率
C. ③为N原子由Fe区域向Ti—H区域传递的过程
D. ①③在高温区发生，②④⑤在低温区发生
[解析] 该历程中能量变化最大的是2.46 eV，是氮分子的吸附过程，氮氮三键的断裂过程是历程②，吸热－1.87 eV－(－2.46 eV)＝0.59 eV，A错误；一般而言，升高温度可增大反应速率，则在高温区增大了反应速率，由于合成氨反应是放热反应，因此低温区提高了氨的产率，B正确；③为Ti—H—Fe吸附N的历程，④为N原子由Fe区域向Ti—H区域传递的过程，C错误；①是催化剂吸附氮气的历程，②是过渡态的历程，③为氮气解离为氮原子的历程，都为吸热反应，因此在高温区发生，为了增大平衡产率，④⑤需要在低温区进行，D错误。
9. 某化工厂生产硝酸的流程如图1所示，其他条件相同时，装置③中催化剂铂网的成分、温度与氧化率的关系如图2所示。下列说法错误的是( B )
图1
图2
A.该流程中，装置①③④中发生了氧化还原反应
B.装置②中利用氨气易液化的性质分离出NH3，既增大了正反应速率又提高了合成氨的产率
C.装置③中最佳反应条件是铂网的成分为含10%铑的铂、温度为900℃
D.装置④中排出的废气含NO、NO2等，可以用烧碱溶液吸收
[解析] 装置①③④涉及氮气和氢气合成氨气、氨的催化氧化、二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮等反应，存在N元素化合价的变化，都为氧化还原反应，A正确；氨易液化，易与气体分离，则装置②中利用氨易液化的性质实现反应物和生成物的分离，但由于生成物浓度降低，所以反应速率减小，B错误；由图可知，铂网的成分为含10%铑的铂、温度为900 ℃时氧化率最高，C正确；装置④中排出的废气含NO、NO2等，可以用烧碱溶液吸收，使其转化为硝酸盐或亚硝酸盐，防止大气污染，D正确。
10. (2022·山东泰州)Ⅰ.合成氨工业中，原料气(N2、H2、少量的CO和NH3的混合气)在进入合成塔前，常用醋酸二氨合铜溶液吸收原料气中的CO，其反应是
Cu(NH3)2CH3COO(aq)＋CO(g)＋NH3(aq)===[Cu(NH3)3]CH3COO·CO(aq)(正反应为放热反应)
(1) 原料气进入合成塔前必须除去CO的原因是 防止催化剂中毒 。
(2) 醋酸二氨合铜溶液吸收CO的适宜生产条件是 低温、高压 。
(3) 吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨溶液再生的适宜条件是 高温、低压 。
Ⅱ.硝酸工业的基础是氨的催化氧化，在催化剂作用下发生如下反应：
①4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)
ΔH＝－905 kJ/ml 主反应
②4NH3(g)＋3O2(g)===2N2(g)＋6H2O(g) ΔH＝－1 268 kJ/ml 副反应
已知氧化产物的产率与温度的关系如下图所示：
(4) 由图可知，工业上氨催化氧化生成NO时，反应温度最好控制在 780～840 ℃ 。
(5) 当温度大于900 ℃时，NO的产率下降的主要原因是 部分NH3转化为N2 。
[解析] Ⅰ.(1) 除去一氧化碳防止催化剂中毒。
(2) [Cu(NH3)2CH3COO](aq)＋CO(g)＋NH3(g)===[Cu(NH3)3]CH3COO·CO(aq) ΔH<0，由反应可知，该反应为气体体积减小的放热反应，所以加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于CO的吸收。
(3) 要使吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可，逆反应方向为气体体积增大的吸热反应，所以高温、低压下可使平衡逆向移动。
Ⅱ.(4) 从图像可以看出，反应温度在780～840 ℃时NO的产率最高，故反应温度最好控制在780～840 ℃。
(5)从图像上看出，当温度高于900 ℃时，部分NH3转化成N2，故造成NO的产率下降。
11．(2022·浙江)工业上，以煤炭为原料，通入一定比例的空气和水蒸气，经过系列反应可以得到满足不同需求的原料气。请回答：
图1
(1)在C和O2的反应体系中：
反应1：C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH1＝－394 kJ/ml
反应2：2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g) ΔH2＝－566 kJ/ml
反应3：2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH3
设y＝ΔH－TΔS，反应1、2和3的y随温度T的变化关系如图1所示。图中对应于反应3的线条是 a 。
(2)水煤气反应：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋131 kJ/ml。
工业生产水煤气时，通常交替通入合适量的空气和水蒸气与煤炭反应，其理由是 水蒸气与煤炭反应吸热，氧气与煤炭反应放热，交替通入空气和水蒸气有利于维持体系热量平衡，保持较高温度，有利于增大化学反应速率 。
(3)一氧化碳变换反应：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41 kJ/ml。
①生产过程中，为了提高变换反应的速率，下列措施中合适的是 BC (填字母)。
A．反应温度愈高愈好 B.适当增大反应压强
C. 选择合适的催化剂 D.通入一定量的氮气
②以固体催化剂M催化变换反应，若水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离，反应过程中的能量变化如图2所示。
图2
用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理)：
步骤Ⅰ： M＋H2O===MO＋H2 ；
步骤Ⅱ： MO＋CO===M＋CO2 。
[解析] (1)反应1在反应前后气体分子数不变，升温，y不变，对应线条b；升温促进反应2平衡逆向移动，ΔS<0，y值增大，对应线条c；升温促进反应3平衡逆向移动，ΔS>0，y值减小，对应线条a。(2)由于水蒸气与煤炭反应吸热，会引起体系温度的下降，从而导致反应速率变小，不利于反应的进行，通入空气，利用煤炭与O2反应放热从而维持体系温度平衡，维持反应速率。(3)①反应温度过高，会引起催化剂失活，导致反应速率变小，A不符合题意；适当增大压强，可增大反应速率，B符合题意；选择合适的催化剂有利于增大反应速率，C符合题意；若为恒容条件，通入氮气对反应速率无影响，若为恒压条件，通入氮气后，容器体积变大，反应物浓度减小，反应速率变小，D不符合题意。②水分子首先被催化剂吸附，根据元素守恒推测第一步产生H2，第二步吸附CO产生CO2，对应反应历程依次为：M＋H2O===MO＋H2、MO＋CO===M＋CO2。