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 学习目标学习目标 1认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要 作用。 2知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要作用。 核心素养核心素养 宏观宏观辨识与微观探析辨识与微观探析： 能从宏观与微观结合的视角，运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率 的影响规律，分析评估化学反应条件的选择和优化。 科学科学态度与社会责任态度与社会责任： 能从限度、速率、平衡等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析，解决 生产、生活中的化学问题，形成节约成本、循环利用、保护环境等观念。 从从合成氨说起合成氨说起 18世
2、纪末，英国化学家克鲁克斯“先天下之忧 而忧”，率先发出为了使子孙后代免于饥饿 “向空气要氮肥”的号召。 1为什么要合成氨？ 思考交流思考交流 从哪些角度选择固氮反应？ 从化学平衡的视角分析，合成氨应该可行！ 氧化法： 还原法： (1)从化学平衡的视角 常温 K3.81031 N2(g) + O2(g) 2NO(g) 常温 K5.0 108 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 已知298 K时：H92.4 kJ mol1，S198.2 J mol1 K1。 自发性：常温（298 K）下，HTS0，能自发进行。 (2)从化学反应的方向性视角 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
3、合成氨不容易，难在哪儿？如果是你，你会怎样分析？ 18世纪末，有人试图在常温常压下合成氨，也有人在常温加压下进行实验。 都失败了 2合成氨很难吗？ 知识梳理知识梳理 一一、合成氨合成氨反应的限度反应的限度、速率速率 1合成氨反应的特点合成氨反应的特点 (1)反应 N2(g)3H2(g) 2NH3(g) H92.4 kJ mol1。 (2)特点 放热反应(H0)； 熵减小的反应(S0)，即反应过程中气体分子总数减小； 可逆反应。 对合成氨反应 的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的 反应速率 增大物浓度反应 升高温度 增大压强 使用催化剂 提高平衡混合 物中氨的含量 增大反应物
4、浓度 降低温度 增大压强 2提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 (1)原理分析 根据合成氨反应的特点，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含 量，应选择的反应条件如表表示： (2)数据分析 表中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初 始时氮气和氢气的体积比是13)。分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨 论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含 量。 温度/ 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 15.3 81.5
5、 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中氨的含量(体积分数) 由表中数据可知，增大压强、降低温度均有利于提高平衡混合物中氨的含量。 (3)结论 升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以使合成氨的反 应速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡混
6、合物 中氨的含量。催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。 巩固练习巩固练习 1已知反应N2(g)3H2(g) 2NH3(g)的H0，在恒容密闭容器中反应达到平 衡时，下列说法正确的是 ( ) AN2的正反应速率是H2的逆反应速率的3倍 B通入稀有气体使压强增大，平衡将向正反应方向移动 C降低温度，混合气体的平均相对分子质量变大 D若平衡时N2、H2的转化率相等，说明反应开始时N2的物质的量是H2的物质 的量的3倍 C 【解析】反应速率之比等于化学计量数之比，则N2的正反应速率是H2的逆反应 速率的1 3倍，故A错误；恒容密闭容器中，通入稀有气体使压强增大，反应物、 生成物的浓度都不
7、变，则平衡不移动，故B错误；由H0 C属于可逆反应 D在恒容容器中反应，压强逐渐减小 B 【解析】工业合成氨反应为N2(g)3H2(g) 2NH3(g) H92.4 kJ mol1， 该反应为放热反应，A项正确；该反应为气体分子数减小的反应，则S0，B项 错误；H2和N2合成NH3的反应为可逆反应，C项正确；建立平衡的过程中，气体 分子数逐渐减小，容器内压强逐渐减小，D项正确。 联想质疑联想质疑 二二、工业合成氨适宜条件的选择工业合成氨适宜条件的选择 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
8、年后 建造了日产氨1 000吨的大型装置。 交流讨论交流讨论 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？ 提示：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 MPa30 MPa。 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？ 提示：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 400500 (在此温度时催化剂
9、的活性最大)。 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？ 提示：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？ 提示：催化剂可加快反应速率，提高生产效率。 归纳总结归纳总结 合成氨反应的适宜条件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13，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
10、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，400500 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 MPa30 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。 巩固练习巩固练习 A步骤中“净化”可以防止催化剂“中毒” B步骤中“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、均有利于提高原料的平衡转化率 D为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中 分离出去 1如图所示为工业合成氨的流程
11、图。下列说法错误的是 ( ) C 【解析】步骤中“净化”是除去杂质，以防止催化剂中毒，A不符合题意；合成 氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料的转 化率，加压也可以提高反应速率，B不符合题意；催化剂只能提高反应速率， 不能提高平衡转化率，合成氨反应为放热反应，高温不利于平衡正向移动，而 液化分离出NH3和N2、H2的循环再利用均可以使平衡正向移动，所以步骤、 有利于提高原料的平衡转化率，步骤不能，C符合题意；在反应达到一定 转化率时及时将氨从混合气中分离出去，氮气和氢气的分压增大，相当于N2和 H2的浓度增大，从而能保持足够高的反应速率，D不符合题意。 2下列关于工
12、业合成氨的叙述正确的是 ( ) A合成氨工业温度选择为700 K左右，主要是为了提高NH3产率 B使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 C合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率 D合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 C 【解析】合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高原料利用率，故A错误； 催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正向移动，催化剂对平衡无影响， 故B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、 H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可提高另一种反应物的转化率， 而此反应物本身转化率降
13、低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可以 增加氮气的浓度，故D错误。 A为沸腾炉：4FeS211O2=2Fe2O38SO2；B为接触室：2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H196.6 kJ mol1；C为吸收塔：SO3H2O H2SO4。接触室中 利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是工业制硫酸中最关键的步骤。 工业上以黄铁矿(FeS2)为原料生产硫酸的工艺流程如下图： 能力提升能力提升 高温 温度 不同压强下SO2的转化率/% 1105 Pa 5105 Pa 1106 Pa 5106 Pa 1107 Pa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.
14、6 92.9 94.9 97.7 98.3 下表是不同压强、温度时SO2的转化率情况。 (1)工业生产中通常选择的温度是450 ，理由是什么？ 提示：该反应是放热反应，升高温度，反应物转化率降低，在450 反应物转 化率较高。 提示：1 105 Pa。常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转 化率提高很少，但对设备的要求更高。 (2)工业生产中通常选择的压强是多少？理由是什么？ (3)在合成SO3的过程中，解释不需要分离出SO3的原因。 提示：O2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需 要分离出SO3。 (4)生产中通入过量空气的目的是_。 提示：增大
15、O2浓度，提高SO2的转化率。 (5)选择合适的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？是否可以增大该反应所放 出的热量？ 提示：否。否。 归纳总结归纳总结 化学反应的调控化学反应的调控 化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产中起着重要作用，在实际生产中应当 运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡规律，既考虑反应进行的快慢， 又考虑反应的限度，在这个过程中还要坚持以下三个原则： (1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影 响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对 温度的要求。 (3)既要注意理论上的需要，又
16、要考虑实际生产(如设备条件、安全操作、经济成本等) 的可能性。 举一反三举一反三 1CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应：CH4(g)CO2(g) =2H2(g) 2CO(g) H247.1 kJmol1、H2(g)CO2(g)=H2O(g)CO(g) H41.2 kJmol1。恒压、反应物起始物质的量之比n(CH4) n(CO2)11条件下，CH4和CO2 的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是 ( ) A曲线B表示CO2的平衡转化率随温度的变化 B升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率 C相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠
17、D恒压、800 K、n(CH4)n(CO2)11条件下，反应至CH4转 化率达到X点的值时，改变除温度外的特定条件继续反应， CH4转化率能达到Y点的值 D 【解析】加入的CH4与CO2的物质的量相等，两个反应都消耗CO2，CO2消耗量大 于CH4，因此CO2的平衡转化率大于CH4，曲线A表示CO2的平衡转化率随温度的 变化，故A错误；甲烷和二氧化碳反应是气体体积增大的反应，增大压强，平衡 逆向移动，甲烷的平衡转化率减小，故B错误；使用高效催化剂，只能提高反应 速率，不能改变平衡转化率，所以相同条件下改用高效催化剂不能使曲线A和曲 线B相重叠，故C错误；800 K时甲烷的转化率为X点的值，可以
18、通过增加二氧化 碳的量来提高甲烷的转化率达到Y点的值，故D正确。 22SO2O2 2SO3是工业制硫酸的一步重要反应，下列关于该反应的说 法正确的是 ( ) A使用催化剂能改变反应限度 B升高体系温度能加快反应速率 C减小SO2的浓度能加快反应的速率 D1 mol SO2和足量的O2在一定条件下充分反应，生成1 mol SO3 B 【解析】使用催化剂，改变反应速率，不改变化学平衡，故A错误；升高温度， 活化分子百分数增大，反应速率增大，故B正确；减小SO2的浓度是减少反应物 浓度，反应速率减小，故C错误；可逆反应的反应物不能完全转化为生成物，故 D错误。 当堂检测当堂检测 下列说法不正确的是
19、( ) A反应的化学方程式为CH42H2O CO24H2 B过程可以通过物理变化完成 C氨气与氧气反应生成硝酸铵的过程中，理论上V(NH3)V(O2)23时恰好完全反应 D工业合成氨的反应温度通常控制在730 K左右，是因为该温度下催化剂的活性最高 1以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，它具有污染小、成本低等诸多 优点，其过程如下： C 【解析】根据工艺流程示意图可知，CH4转化为CO2和H2的化学方程式为CH4 2H2O CO24H2，选项A正确；过程由液化空气分离可得到氮气和氧气， 故可以通过物理变化完成，选项B正确；氨气与氧气反应生成硝酸铵的过程中， 根据电子守恒和元素守恒可得总反
20、应为2NH32O2 = NH4NO3H2O，所以 理论上V(NH3)V(O2)11时恰好完全反应，选项C不正确；工业合成氨的反 应温度通常控制在730 K左右，是因为该温度下催化剂的活性最高，催化效率高， 选项D正确。 催化剂 2下列有关工业合成氨的说法不能用平衡移动原理解释的是 ( ) A不断补充氮气和氢气 B选择10 MPa30 MPa的高压 C及时液化分离氨气 D选择400500 高温的同时使用铁触媒作催化剂 D 【解析】增大氮气和氢气的浓度，反应物浓度增大，化学平衡正向移动，所以 可以用平衡移动原理解释，故A错误；N2(g)3H2(g) 2NH3(g)是一个反应前 后气体体积减小的可逆
21、反应，增大压强，平衡正向移动，所以可以用平衡移动 原理解释，故B错误；将氨液化分离，降低生成物浓度，平衡正向移动，所以 可以用平衡移动原理解释，故C错误；催化剂只改变化学反应速率，不改变平 衡移动，故不能用平衡移动原理解释，且该反应为放热反应，温度越低越有利 于平衡正向移动，所以选择高温条件也不能用平衡移动原理解释，故D正确。 3SO2催化氧化过程中，不符合工业生产实际的是 ( ) A采用热交换器循环利用能量 B压强控制为20 MPa50 MPa C反应温度控制在500 左右 D使用V2O5作催化剂 B 【解析】制硫酸时使用热交换器，可充分利用二氧化硫催化氧化放出的能量， 实 现能量循环使用，
22、故A正确；压强的增加引起SO2转化率的变化并不明显，所以 工业上直接采用常压，不符合工业生产实际，故B错误；反应温度控制在500 左右，催化剂活性最大，反应速率较大，故C正确；催化氧化所使用的催化剂钒 触媒(V2O5)能加快二氧化硫氧化速率，故D正确。 4工业生产苯乙烯是利用乙苯的脱氢反应： 针对上述反应，在其他条件不变时，下列说法正确的是 ( ) A加入适当催化剂，可以提高苯乙烯的产量 B仅从平衡移动的角度分析，工业生产苯乙烯选择恒压条件优于恒容条件 C加入乙苯至反应达到平衡的过程中，混合气体的平均相对分子质量不断增大 D在保持体积一定的条件下，充入较多的乙苯，可以提高乙苯的转化率 H0 B
23、 【解析】催化剂只改变反应速率，不影响平衡移动，加入催化剂，不能提高苯 乙烯的产量，故A错误；反应后气体的物质的量增大，在恒容条件下，容器中 气体的压强不断增大，不利于平衡向正向移动，因此工业生产苯乙烯选择恒压 条件优于恒容条件，故B正确；加入乙苯至反应达到平衡的过程中，气体的总 质量不变，但物质的量逐渐增大，则混合气体的平均相对分子质量不断减小， 故C错误；在保持体积一定的条件下，充入较多的乙苯，相当于在原来的基础 上缩小体积，压强增大，则平衡逆向移动，乙苯的转化率减小，故D错误。 5反应NH4HS(s) NH3(g)H2S(g)在某温度下达到平衡，下列各种情況下， 不会使平衡发生移动的是
24、( ) A温度、容积不变时，通入SO2气体 B将NH4HS固体全部移走 C保持温度和容器容积不变，充入氮气 D保持温度和压强不变，充入氮气 C 【解析】通入的SO2气体与H2S(g)反应生成S，生成物浓度减小，平衡正向移动， 故A不选；将NH4HS固体全部移走，可看成起始加入生成物，平衡逆向移动，故 B不选；保持温度和容器容积不变，充入氮气，反应体系中各物质的浓度不变， 平衡不移动，故C选；保持温度和压强不变，充入氮气，体积增大，相当于减小 压强，平衡正向移动，故D不选。 6如图是工业合成氨的简单流程图，沿路线回流的物质是 ( ) A A氮气和氢气 B催化剂 CNH3 DH2 【解析】合成氨工
25、业中，利用氨易液化，分离出N2、H2循环使用，可使平衡向 正反应方向移动，则氨气的产率增大，所以沿路线回去的物质是N2、H2。 7.合成氨反应N2(g)3H2(g) 2NH3(g) H92.4 kJ mol1在化学工业和国 防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。 (1)X的化学式为_；X的状态为_态。 (2)据图分析，下列说法正确的是_(填字母)。 a在此温度下，有利于平衡正向移动，可提高氨的产量 b铁触媒的使用有利于平衡正向移动 c工业生产受动力、材料、设备等条件的限制，选择此压强 d为提高原料的转化率，采用循环操作 NH3 液 cd 【解析】(1)合成氨工业有下列流程：原料气制备、原料气净化和压缩、氨的合 成、氨的分离，从图中生产流程知，原料气氮气和氢气，经过氨的合成、氨的分 离，所以X为液态的氨气，Y为氮气和氢气的混合气，再循环利用； (2)升高温度，能使反应速率加快，但该反应的正反应为放热反应，升高温度， 平衡向逆反应方向移动，不利于氨的合成，故a不选；铁触媒的使用有利于加快 反应速率，但平衡不移动，故b不选；增大压强，能使反应速率加快，反应也向 正反应方向移动，但过高的压强，反应成本高，故c选；为提高原料的转化率， 采用循环操作，故d选。
