資源簡介

第13講 化學反應條件的優化——工業合成氨
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目標導航
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課程標準 課標解讀
1．知道如何應用化學反應速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。 2．初步學會應用化學原理選擇化工生產條件的思想和方法。 3．認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要應用。 1．認識反應條件對合成氨化學反應速率和化學平衡的影響，能夠運用化學反應原理分析影響合成氨的因素，初步學會運用變量控制的方法研究化學反應。 2．具有理論聯系實際的觀念，能依據實際條件并運用多學的化學知識和方法解決合成氨中的化學問題。能運用所學知識分析和探討合成氨對人類健康、社會可持續發展可能帶來的雙重影響。能主動關心與保護環境、資源開發等有關的社會熱點問題，形成與環境和諧共處，合理利用自然資源的觀念。
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知識精講
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知識點01 合成氨反應的限度
1．反應原理（298 K）
N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。
2．反應特點
3．影響因素
（1）反應條件：______溫度、______壓強，有利于化學平衡向合成氨的方向移動。
（2）投料比：溫度、壓強一定時，N2、H2的體積比為______時平衡混合物中氨的百分含量最高。
【即學即練1】（雙選）下列有關工業合成氨的敘述中正確的是（ ）。
A．溫度升高，不利于提高合成氨的反應速率
B．工業上選擇合適的條件，可以使氮氣全部轉化為氨
C．合成氨反應平衡的移動受溫度、濃度、壓強等因素的影響
D．使用鐵觸媒，可以使氮氣和氫氣化合速率明顯增大
知識點02 合成氨反應的速率
1．增大合成氨反應速率的方法
2．濃度與合成氨反應速率之間的關系
（1）速率方程：v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）
（2）提高合成氨反應的速率：______N2或H2的濃度，______NH3的濃度。
【即學即練2】在合成氨反應中，下列情況不能使反應速率加快的是（ ）。
A．加入氮氣 B．減小壓強，擴大容器體積
C．加入催化劑 D．適當升高溫度
知識點03 合成氨反應的適宜條件
1．合成氨反應適宜條件分析
（1）兩個角度：從____________和____________兩個角度選擇合成氨的適宜條件
①盡量增大反應物的____________，充分利用原料
②選擇較快的反應速率，提高單位時間內的____________
（2）其他方面：考慮設備的要求和技術條件
2．合成氨的適宜條件
序號 影響因素 選擇條件
1 溫度 反應溫度控制在______左右
2 物質的量 N2、H2投料比______
3 壓強 1×107～1×108Pa
4 催化劑 選擇______作催化劑
【即學即練3】（2021·泰安高二檢測）在合成氨工業中，為增加NH3的日產量，實施下列目的的變化過程中與平衡移動無關的是（ ）。
A．不斷將氨分離出來
B．使用催化劑
C．采用700K左右的高溫而不是900K的高溫
D．采用2×107～5×107Pa的壓強
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能力拓展
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考法01 工業反應條件的選擇
【典例1】一定條件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化劑對燃煤煙氣進行回收，使SO2轉化生成S。催化劑不同，其他條件相同（濃度、溫度、壓強）情況下，相同時間內SO2的轉化率隨反應溫度的變化如下圖，下列說法不正確的是（ ）。
A．不考慮催化劑價格因素。選擇Fe2O3作催化劑可以節約能源
B．選擇Fe2O3作催化劑，最適宜溫度為340℃左右
C．a點后SO2的轉化率減小的原因可能是溫度升高催化劑活性降低了
D．其他條件相同的情況下。選擇Cr2O3作催化劑，SO2的平衡轉化率最小
【知識拓展】工業合成氨適宜條件的選擇
1．工業生產中選擇適宜生產條件的思路
（1）分析化學反應的特點：從可逆性、反應前后氣體系數的變化、焓變三個角度分析。
（2）根據反應特點具體分析反應條件對速率和平衡的影響。
（3）從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮實際情況，選出適宜的反應條件。
反應條件 有利于加快速率的條件控制 有利于平衡正向移動的條件控制 綜合分析結果
濃度 增大反應物的濃度 增大反應物的濃度、減小生成物的濃度 不斷地補充反應物、及時地分離出生成物
催化劑 加合適的催化劑 不需要 加合適的催化劑
溫度 高溫 ΔH＜0 低溫 兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度
ΔH＞0 高溫 在設備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性
壓強 高壓 （有氣體參加） ΔV（g）＜0 高壓 在設備條件允許的前提下，盡量采取高壓
ΔV（g）＞0 低壓 兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強
2．工業合成氨生產條件的選擇
（1）合成氨生產的要求。
①反應要有較快的反應速率。
②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。
（2）合成氨生產條件的選擇依據。
①化學反應速率和化學平衡原理的有關知識。
②合成氨生產中的動力、材料、設備、生產成本等因素。
（3）選擇合成氨生產條件的理論分析。
外界因素 理論分析
壓強 壓強越大越有利于合成氨，但在實際生產中，應根據反應設備可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強，大致分為低壓、中壓和高壓三種類型，一般采用高壓
溫度 溫度越高，反應速率越大，但不利于氨的合成，在實際生產中一般控制反應溫度在700 K左右（且在此溫度時催化劑的活性最大）
催化劑 使用催化劑可以大幅度提高反應速率，合成氨生產一般選擇鐵作催化劑
濃度 合成氨生產通常采用N2和H2物質的量之比為1∶2.8的投料比，并且及時將氨氣從反應混合物中分離出去
其他 為提高平衡轉化率，工業合成采用的原料循環利用
考法02 轉化率和百分含量的變化
【典例2】反應：①PCl5（g）PCl3（g）+Cl2（g）；②2HI（g）H2（g）+I2（g）；③2NO2（g）N2O4（g）。在一定條件下，達到化學平衡時，反應物的轉化率均是a％。若保持各自的溫度不變、體積不變，分別再加入一定量的各自的反應物，則轉化率（ ）。
A．均不變 B．①增大，②不變，③減小
C．均增大 D．①減小，②不變，③增大
【知識拓展】特殊情況下轉化率和百分含量的變化
1．恒溫下濃度變化對轉化率和百分含量的影響
（1）恒容：同倍數增大反應物或產物濃度，相當于增大壓強
mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）
①m+n＞p+q，反應物轉化率變大，百分含量降低；生成物的產率變大，百分含量升高。
②m+n＝p+q，反應物轉化率不變，百分含量不變；生成物的產率不變，百分含量不變。
③m+n＜p+q，反應物轉化率變小，百分含量升高；生成物的產率變小，百分含量降低。
（2）恒壓：同倍數增大反應物或產物濃度，平衡不移動
（3）反應物多種，加誰誰的轉化率變小，其余的變大
2．投料比對轉化率和百分含量的影響
（1）反應物轉化率相等的條件：投料比＝化學計量數比
（2）生成物含量最大的條件：投料比＝化學計量數比
3．容器類型對轉化率和百分含量的影響
（1）起始量完全相同，非等體反應
①反應物的轉化率：恒壓容器＞恒容容器＞絕熱容器
②產物的百分含量：恒壓容器＞恒容容器＞絕熱容器
（2）起始量完全相同，等體反應
①反應物的轉化率：恒壓容器＝恒容容器＞絕熱容器
②產物的百分含量：恒壓容器＝恒容容器＞絕熱容器
考法03 等效平衡分析
【典例3】（2021 上海松江區高二上學期期末檢測）相同溫度下，在體積相等的三個恒容密閉容器中發生可逆反應：2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＝－196.4kJ/mol。實驗測得起始、平衡時的有關數據如下表：
容器 編號 起始時各物質物質的量/mol 達平衡時體 系能量的變化
SO2 O2 SO3
① 2 1 0 放出熱量：akJ
② 1 0.5 1 放出熱量：bkJ
③ 4 2 0 放出熱量：ckJ
下列敘述正確的是（ ）。
A．放出熱量關系：a＝b
B．三個容器內反應的平衡常數：③＞②＞①
C．平衡時SO3氣體的體積分數：③＞①
D．SO2的轉化率：②＞①＞③
【知識拓展】等效平衡
1．含義
2．解題方法：極端假設法
（1）按照系數將新加入的原料的量全部換算成起始時反應物或生成物的量
（2）將換算量與原配比量相比較（相等或成比例）
3．全等平衡
（1）平衡條件：起始量相等
（2）平衡特征
①直接判據：某組分的質量、物質的量不變
②間接判據：恒溫恒容下，物質的量濃度不變
③絕對判據：恒溫恒容下，非等體反應均為全等平衡
4．相似平衡
（1）平衡條件：起始量成比例
（2）平衡特征：某組分的百分含量保持不變
①恒溫恒容：等體反應
②恒溫恒壓：任意特征氣體反應
（3）平衡時某組分的量
①等體反應：A（g）+B（g）2C（g）
ψ（C）＝＝
②非等體反應：2A（g）+B（g）2C（g）
n（A）∶n（B）∶n（C）＝nA起∶nB起∶nC平
4．按化學計量數比混合的等效平衡的特殊性
（1）正反應和逆反應的轉化率的關系：正+逆＝1
（2）正反應和逆反應熱量的關系
①Q正+Q逆＝k×|△H |（k＝＝系數的倍數）
②正反應的轉化率：正＝＝
③逆反應的轉化率：逆＝＝
（3）由于起始加入的量及物質不同，反應的程度也不同，所以轉化率和熱量不一定相等。
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分層提分
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題組A 基礎過關練
1．（2021·順義區高二檢測）1913年德國化學家哈伯發明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是（ ）。
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
2．（2021·惠州高二檢測）在合成氨反應中使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是（ ）。
A．都能提高反應速率，都對化學平衡無影響
B．都對化學平衡有影響，但都不影響達到平衡狀態所用的時間
C．都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有施加高壓對化學平衡有影響
D．使用催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而施加高壓無此效果
3．可逆反應3H2（g）+N2（g）2NH3（g）ΔH＜0，達到平衡后，為了使H2的轉化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是（ ）。
A．升高溫度，減小壓強，增加氮氣
B．降低溫度，增大壓強，加入催化劑
C．升高溫度，增大壓強，增加氮氣
D．降低溫度，增大壓強，分離出部分氨
4．（2021·江蘇南京高二上學期期末檢測）氯化硫酰（SO2Cl2）主要用作氯化劑。它是一種無色液體，熔點－54.1℃，沸點69.1℃，遇水生成硫酸和氯化氫。氯化硫酰可用干燥的二氧化硫和氯氣在活性炭催化劑存在下反應制?。篠O2（g）+Cl2（g）SO2Cl2（l）△H＝－97.3kJ/mol。為了提高上述反應中Cl2的平衡轉化率，下列措施合理的是（ ）。
A．擴大容器體積 B．使用催化劑
C．增加SO2濃度 D．升高溫度
5．（天津市部分區2021~2022學年度第一學期高二期中練習）有平衡體系：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）ΔH＜0，為了增加甲醇的產量，應采取的正確措施是（ ）。
A．高溫、高壓 B．適宜溫度、高壓、催化劑
C．低溫、低壓 D．高溫、高壓、催化劑
6．（2020年7月·浙江學考真題）一定條件下：2NO2N2O4；△H＜0。在測定NO2的相對分子質量時，下列條件中，測定結果誤差最小的是（ ）。
A．溫度0℃、壓強50kPa
B．溫度130℃、壓強300kPa
C．溫度25℃、壓強100kPa
D．溫度130℃、壓強50kPa
7．工業合成氨的反應為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，其部分工藝流程如圖所示。
反應體系中各組分的部分性質如表所示。
氣體 N2 H2 NH3
熔點/℃ －210.01 －252.77 －77.74
沸點/℃ －195.79 －259.23 －33.42
回答下列問題：
（1）該反應的化學平衡常數表達式K＝__________。隨著溫度升高，K值____________（填“增大”“減小”或“不變”）。
（2）合成氨反應的平衡常數很小，所以在工業上將氣體循環利用，即反應后通過把混合氣體的溫度降低到________，將________分離出來；繼續循環利用的氣體是________。
8．（2021·上海寶山區高二上學期期中）乙醇是重要的化工產品和液體燃料，可以利用下列反應制取乙醇：
2CO2（g）+6H2（g）CH3CH2OH（g）+3H2O（g）①298K時，K1＝2.95×1011
2CO（g）+4H2（g）CH3CH2OH（g）+H2O（g）②298K時，K2＝1.71×1022
（1）寫出反應①的平衡常數表達式K＝_______________________。
（2）條件相同時，反應①與反應②相比，轉化程度更大的是_______。以CO2為原料合成乙醇的優點是_________________________________________________。（寫出一點即可）
（3）在一定壓強下，測得反應①的實驗數據如下表：
根據表中數據分析：
①溫度升高，K值_________（填“增大”、“減小”或“不變”）。
②提高氫碳比（），對生成乙醇__________（填“不利”或“有利”）。
題組B 能力提升練
1．（江蘇省揚州2021~2022學年高二上學期期末）合成氨反應為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ/mol，下列有關合成氨反應的說法正確的是（ ）。
A．反應的ΔS＞0
B．反應的ΔH＝E（N－N）+3E（H－H）－6E（N－H）（E表示鍵能）
C．反應中每消耗1molH2轉移電子的數目約等于2×6.02×1023
D．反應在高溫、高壓和催化劑條件下進行可提高H2的平衡轉化率
2．（江蘇省百校大聯考2022屆高二上學期期末檢測）工業上可通過反應4HCl（g）+O2（g）2Cl2（g）+2H2O（g）ΔH＝－114.4kJ·mol－1。將HCl轉化為Cl2，下列有關說法正確的是（ ）。
A．使用催化劑能縮短該反應達到平衡的時間
B．升高溫度和增大壓強均能提高反應中HCl的平衡轉化率
C．反應的平衡常數可表示為K＝
D．其他條件相同，增大，HCl的轉化率上升
3．（2021·九江高二檢測）合成氨反應通?？刂圃?0～50MPa的壓強和500℃左右的溫度，且進入合成塔的氮氣和氫氣的體積比為1∶3，經科學測定，在相應條件下氮氣和氫氣反應所得氨的平衡濃度（體積分數）如表所示：
20MPa 60MPa
500℃ 19.1 42.2
而實際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約為15%，這表明（ ）。
A．表中所測數據有明顯誤差
B．生產條件控制不當
C．氨的分解速率大于預測值
D．合成塔中的反應并未達到平衡
4．（雙選）乙烯氣相直接水合反應制備乙醇：C2H4（g）+H2O（g）C2H5OH（g）。乙烯的平衡轉化率隨溫度、壓強的變化關系如圖［起始時，n（H2O）＝n（C2H4）＝1mol，容器體積為1L］。下列分析不正確的是（ ）。
A．乙烯氣相直接水合反應的ΔH＞0
B．圖中壓強的大小關系為p1＞p2＞p3
C．圖中a點對應的平衡常數的數值K＝
D．達到平衡狀態a、b所需要的時間：a＞b
5．在一定條件下，利用CO2合成CH3OH的反應為CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1，研究發現，反應過程中會發生副反應為CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2，溫度對CH3OH、CO的產率影響如圖所示。下列說法中不正確的是（ ）。
A．△H1＜0，△H2＞0
B．增大壓強有利于加快合成反應的速率
C．選用合適的催化劑可以減弱副反應的發生
D．生產過程中，溫度越高越有利于提高CH3OH的產率
6．有兩個極易導熱的密閉容器a和b（如圖所示），a容器體積恒定，b容器壓強恒定。在同溫同壓和等體積條件下，向a和b兩容器中通入等物質的量的NO2，發生反應：2NO2N2O4 △H＜0，則以下說法正確的是（ ）。
A．反應起始時兩容器的反應速率va和vb的關系：va＜vb
B．反應過程中兩容器內的反應速率va和vb的關系：va＜vb
C．反應達到平衡時，兩容器內壓強相同
D．反應達到平衡時，兩容器的NO2的轉化率相同
7．以黃鐵礦（FeS2）為原料，采用接觸法生產硫酸的流程可簡示如下：
請回答下列問題：
（1）在爐氣制造中，生成SO2的化學方程式為______________________________；
（2）爐氣精制的作用是將含SO2的爐氣_______________、_______________及干燥，如果爐氣不經過精制，對SO2催化氧化的影響是礦塵，砷、硒等化合物使_______，水蒸氣對設備和生產有不良影響。
（3）精制爐氣（含SO2體積分數為7％、O2為11％、N2為82％）中SO2平衡轉化率與溫度及壓強關系如下圖所示。在實際生產中，SO2催化氧化反應的條件選擇常壓、450℃左右（對應圖中A點），而沒有選擇SO2轉化率更高的B或C點對應的反應條件，其原因分別是__________________________________________________________、__________________________________________________________________；
（4）在SO2催化氧化設備中設置熱交換器的目的是_______________、上層反應氣經熱交換器溫度降到400℃～500℃進入下層使反應更加完全，從而充分利用能源。
8．某溫度下，在1L的密閉容器中加入1molN2、3molH2，使反應N2+3H22NH3達到平衡，測得平衡混合氣體中N2、H2、NH3分別為0.6mol、1.8mol、0.8mol，維持溫度和容器體積不變，令x、y、z代表初始加入的N2、H2、NH3的物質的量（mol）。如果x、y、z取不同的數值，它們必須滿足一定的相互關系，才能保證達到平衡時，反應混合物中三種氣體的物質的量仍跟上述平衡時完全相同。請填寫下列空白：
（1）若x＝0，y＝0，則z＝_________。
（2）若x＝0.75，則y＝_________，z＝_________。
（3）x、y、z應滿足的一般條件是（用含x、y、z的關系式表示）_________。
題組C 培優拔尖練
1．（2022年1月浙江選考化學仿真模擬試卷A）苯乙烯與溴苯在一定條件下發生Heck反應：++HBr，某實驗小組在原料及催化劑鈀用量等均相同的條件下進行多組實驗，測得如下數據；
反應溫度/℃ 100 100 100 100 120 140 160
反應時間/h 10 12 14 16 14 14 14
產率/% 81.2 84.4 86.6 86.2 93.5 96.6 96.0
下列說法正確的是（ ）。
A．該反應為吸熱反應
B．由表中數據可知最佳反應條件為120℃、14h
C．在100℃時、反應時間10~14h內，產率增加的原因是反應速率增大
D．從140℃升到160℃，反應相同時間產率下降的原因可能是平衡向逆反應方向移動
2．（2021·徽州高二檢測）工業合成氨的正反應是放熱反應，下列關于N2（g）+3H2（g）2NH3（g）反應的圖象中，錯誤的是（ ）。
3．反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均會在工業生產硝酸過程中發生，其中反應Ⅰ、Ⅱ發生在氧化爐中，反應Ⅲ發生在氧化塔中，不同溫度下各反應的化學平衡常數如下表所示。下列說法正確的是（ ）。
溫度（K） 化學平衡常數
反應Ⅰ：4NH3+5O2→4NO+6H2O 反應Ⅱ：4NH3+3O2→2N2+6H2O 反應Ⅲ：2NO+O2→2NO2
500 1.1×1026 7.1×1034 1.3×102
700 2.1×1019 2.6×1025 1.0
A．使用選擇性催化反應Ⅰ的催化劑可增大氧化爐中NO的含量
B．通過改變氧化爐的溫度可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ
C．通過改變氧化爐的壓強可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ
D．氧化爐出氣在進入氧化塔前應進一步提高溫度
4．（2021·黑龍江大慶高二上學期期末檢測）汽車尾氣凈化器中發生的反應為2NO（g）+2CO（g）N2（g）+2CO2（g）。一定溫度下，在三個體積均為1.0L的恒容密閉容器中發生上述反應，測得有關實驗數據如表：
容器 溫度（℃） 起始物質的量（mol） 平衡物質的量（mol）
NO CO N2 CO2 N2 CO2
I 400 0.2 0.2 0 0 0.12
II 400 0.4 0.4 0 0
III 300 0 0 0.1 0.2 0.075
下列說法正確是（ ）。
A．該反應的△S＜0、△H＞0
B．容器I中達到平衡所需時間2s，則v（N2）＝0.06mol/（L·s）
C．若起始時向I中充入NO、CO、N2、CO2各0.1mol，開始時v（正）＞v（逆）
D．達到平衡時，體系中c（CO）關系：c（CO，容器Ⅱ）＞2c（CO，容器Ⅰ）
5．把2mol SO2和2mol SO3氣體，混和于固定容積的密閉容器中，在一定條件下發生反應：2SO2+O22SO3，平衡時SO3為nmol。在相同溫度下，分別按下列配比在相同體積的密閉容器中放入下列起始物質，達平衡時SO3的物質的量大于n mol的是（ ）。
A．2mol SO2+1mol O2 B．4mol SO2+1mol O2
C．2mol SO2+1mol O2+2mol SO3 D．3mol SO2+1mol SO3
6．（2021·保定高二上學期期末檢測）為妥善處理氯甲烷生產企業的副產物CCl4，以減少其對臭氧層的破壞。化學家研究在催化條件下，通過下列反應：CCl4+H2CHCl3+HCl使CCl4轉化為重要的化工原料氯仿（CHCl3）。此反應伴隨有副反應，會生成CH2Cl2、CH3Cl和CH4等。已知CCl4的沸點為77℃，CHCl3的沸點為61.2℃。
（1）在密閉容器中，該反應達到平衡后，測得如下數據（假設不考慮副反應）。
實驗序號 溫度℃ 初始CCl4濃度 （mol·L－1） 初始H2濃度 （mol·L－1） CCl4的平 衡轉化率
1 110 0.8 1.2 A
2 110 1 1 50%
3 100 1 1 B
①此反應的化學平衡常數表達式為______________，在110℃時平衡常數為_______。
②實驗l中，CCl4的轉化率A_______50％（填“大于”、“小于”或“等于”）。
③實驗2中，10 h后達到平衡，H2的平均反應速率為______________。
④實驗3中，B的值______________（選填序號）。
A．等于50％ B．大于50％
C．小于50％ D．從本題資料，無法判斷
（2）120℃，在相同條件的密閉容器中，分別進行H2的初始濃度為2mol·L一1和4mol·L－1的實驗，測得反應消耗CCl4的百分率（x％）和生成物中CHCl3，的百分含量（y％）隨時間（t）的變化關系如下圖（圖中實線是消耗CCl4的百分率變化曲線，虛線是產物中CHCl3的百分含量變化曲線）。
在圖中的四條線中，表示H2起始濃度為2mol·L一1實驗的消耗CCl4的百分率變化曲線是_______（選填序號）。根據上圖曲線，氫氣的起始濃度為_______mol·L一1時，有利于提高CCl4的平衡轉化率和產物中CHCl3的百分含量。你判斷的依據是________________________。第13講 化學反應條件的優化——工業合成氨
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目標導航
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課程標準 課標解讀
1．知道如何應用化學反應速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。 2．初步學會應用化學原理選擇化工生產條件的思想和方法。 3．認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要應用。 1．認識反應條件對合成氨化學反應速率和化學平衡的影響，能夠運用化學反應原理分析影響合成氨的因素，初步學會運用變量控制的方法研究化學反應。 2．具有理論聯系實際的觀念，能依據實際條件并運用多學的化學知識和方法解決合成氨中的化學問題。能運用所學知識分析和探討合成氨對人類健康、社會可持續發展可能帶來的雙重影響。能主動關心與保護環境、資源開發等有關的社會熱點問題，形成與環境和諧共處，合理利用自然資源的觀念。
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知識精講
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知識點01 合成氨反應的限度
1．反應原理（298 K）
N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。
2．反應特點
3．影響因素
（1）反應條件：降低溫度、增大壓強，有利于化學平衡向合成氨的方向移動。
（2）投料比：溫度、壓強一定時，N2、H2的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的百分含量最高。
【即學即練1】（雙選）下列有關工業合成氨的敘述中正確的是（ ）。
A．溫度升高，不利于提高合成氨的反應速率
B．工業上選擇合適的條件，可以使氮氣全部轉化為氨
C．合成氨反應平衡的移動受溫度、濃度、壓強等因素的影響
D．使用鐵觸媒，可以使氮氣和氫氣化合速率明顯增大
【解析】選CD。溫度升高，化學反應速率增大，A錯誤。從提高反應速率的角度來說，合成氨是溫度越高越好，但溫度越高氮的轉化率越低，綜合反應速率、化學平衡和催化劑的活性三方面考慮，因此選擇溫度為700K左右。任何可逆反應都是有限度的，無論選擇怎樣的條件，氮氣也不會完全轉化為氨，B錯誤。降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動；增大反應物的濃度，減小生成物的濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動，工業生產就是不斷地向合成塔中送入氮氣和氫氣，并將生成的氨分離出去；壓強越大越有利于平衡向生成氨的方向移動，但增大壓強要受到設備的制約，C正確。使用催化劑可以顯著提高化學反應速率，D正確。
知識點02 合成氨反應的速率
1．增大合成氨反應速率的方法
2．濃度與合成氨反應速率之間的關系
（1）速率方程：v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）
（2）提高合成氨反應的速率：增大N2或H2的濃度，減小NH3的濃度。
【即學即練2】在合成氨反應中，下列情況不能使反應速率加快的是（ ）。
A．加入氮氣 B．減小壓強，擴大容器體積
C．加入催化劑 D．適當升高溫度
【解析】選B。增大反應物氮氣的濃度，活化分子的數目增多，正、逆反應速率加快，故A不能選；減小壓強，擴大容器體積，會導致化學反應速率減慢，故B為本題的答案；催化劑能夠同時增大反應的正反反應速率，故C不能選；升高溫度，活化分子的百分數增大，使正、逆化學反應速率加快，故D不能選。
知識點03 合成氨反應的適宜條件
1．合成氨反應適宜條件分析
（1）兩個角度：從反應速率和反應限度兩個角度選擇合成氨的適宜條件
①盡量增大反應物的轉化率，充分利用原料
②選擇較快的反應速率，提高單位時間內的產量
（2）其他方面：考慮設備的要求和技術條件
2．合成氨的適宜條件
序號 影響因素 選擇條件
1 溫度 反應溫度控制在700K左右
2 物質的量 N2、H2投料比1∶2.8
3 壓強 1×107～1×108Pa
4 催化劑 選擇鐵作催化劑
【即學即練3】（2021·泰安高二檢測）在合成氨工業中，為增加NH3的日產量，實施下列目的的變化過程中與平衡移動無關的是（ ）。
A．不斷將氨分離出來
B．使用催化劑
C．采用700K左右的高溫而不是900K的高溫
D．采用2×107～5×107Pa的壓強
【解析】選B。把氨分離出來是減小生成物濃度，有利于平衡右移；合成氨反應是放熱反應，相對較低溫度（700K）利于反應向右進行，同時該反應是氣體物質的量減小的反應，盡可能采取高壓利于正反應的進行，A、C、D都符合平衡移動原理，而使用催化劑是為了增大反應速率，與平衡無關。
(
能力拓展
)
考法01 工業反應條件的選擇
【典例1】一定條件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化劑對燃煤煙氣進行回收，使SO2轉化生成S。催化劑不同，其他條件相同（濃度、溫度、壓強）情況下，相同時間內SO2的轉化率隨反應溫度的變化如下圖，下列說法不正確的是（ ）。
A．不考慮催化劑價格因素。選擇Fe2O3作催化劑可以節約能源
B．選擇Fe2O3作催化劑，最適宜溫度為340℃左右
C．a點后SO2的轉化率減小的原因可能是溫度升高催化劑活性降低了
D．其他條件相同的情況下。選擇Cr2O3作催化劑，SO2的平衡轉化率最小
【解析】選D。根據圖象可知，當溫度在340℃時，在Fe2O3作催化劑條件下，反應先達到平衡，SO2的平衡轉化率最大，A正確；340～380℃溫度范圍內，催化劑的催化能力最大，二氧化硫的轉化率也是最大，反應速率最快，B正確；催化劑催化能力需要維持在一定的溫度下，溫度太高，催化劑活性可能會降低，C正確；相同其他條件下。選擇Cr2O3作催化劑，在溫度為380℃時，SO2的平衡轉化率不是最小的，NiO作催化劑時，相同溫度下，SO2的轉化率是最小的，D錯誤。
【知識拓展】工業合成氨適宜條件的選擇
1．工業生產中選擇適宜生產條件的思路
（1）分析化學反應的特點：從可逆性、反應前后氣體系數的變化、焓變三個角度分析。
（2）根據反應特點具體分析反應條件對速率和平衡的影響。
（3）從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮實際情況，選出適宜的反應條件。
反應條件 有利于加快速率的條件控制 有利于平衡正向移動的條件控制 綜合分析結果
濃度 增大反應物的濃度 增大反應物的濃度、減小生成物的濃度 不斷地補充反應物、及時地分離出生成物
催化劑 加合適的催化劑 不需要 加合適的催化劑
溫度 高溫 ΔH＜0 低溫 兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度
ΔH＞0 高溫 在設備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性
壓強 高壓 （有氣體參加） ΔV（g）＜0 高壓 在設備條件允許的前提下，盡量采取高壓
ΔV（g）＞0 低壓 兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強
2．工業合成氨生產條件的選擇
（1）合成氨生產的要求。
①反應要有較快的反應速率。
②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。
（2）合成氨生產條件的選擇依據。
①化學反應速率和化學平衡原理的有關知識。
②合成氨生產中的動力、材料、設備、生產成本等因素。
（3）選擇合成氨生產條件的理論分析。
外界因素 理論分析
壓強 壓強越大越有利于合成氨，但在實際生產中，應根據反應設備可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強，大致分為低壓、中壓和高壓三種類型，一般采用高壓
溫度 溫度越高，反應速率越大，但不利于氨的合成，在實際生產中一般控制反應溫度在700 K左右（且在此溫度時催化劑的活性最大）
催化劑 使用催化劑可以大幅度提高反應速率，合成氨生產一般選擇鐵作催化劑
濃度 合成氨生產通常采用N2和H2物質的量之比為1∶2.8的投料比，并且及時將氨氣從反應混合物中分離出去
其他 為提高平衡轉化率，工業合成采用的原料循環利用
考法02 轉化率和百分含量的變化
【典例2】反應：①PCl5（g）PCl3（g）+Cl2（g）；②2HI（g）H2（g）+I2（g）；③2NO2（g）N2O4（g）。在一定條件下，達到化學平衡時，反應物的轉化率均是a％。若保持各自的溫度不變、體積不變，分別再加入一定量的各自的反應物，則轉化率（ ）。
A．均不變 B．①增大，②不變，③減小
C．均增大 D．①減小，②不變，③增大
【解析】選D。若保持各自的溫度、體積不變，分別加入一定量的各自的反應物，可以等效為將原來的容器縮小體積，實際上增大的反應體系的壓強，①反應是一個反應前后氣體體積增大的可逆反應，增大壓強，平衡向逆反應方向移動，所以轉化率減小；②反應是一個反應前后氣體體積不變的可逆反應，增大壓強，平衡不移動，所以轉化率不變；③反應是一個反應前后氣體體積減小的可逆反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，所以轉化率增大。
【知識拓展】特殊情況下轉化率和百分含量的變化
1．恒溫下濃度變化對轉化率和百分含量的影響
（1）恒容：同倍數增大反應物或產物濃度，相當于增大壓強
mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）
①m+n＞p+q，反應物轉化率變大，百分含量降低；生成物的產率變大，百分含量升高。
②m+n＝p+q，反應物轉化率不變，百分含量不變；生成物的產率不變，百分含量不變。
③m+n＜p+q，反應物轉化率變小，百分含量升高；生成物的產率變小，百分含量降低。
（2）恒壓：同倍數增大反應物或產物濃度，平衡不移動
（3）反應物多種，加誰誰的轉化率變小，其余的變大
2．投料比對轉化率和百分含量的影響
（1）反應物轉化率相等的條件：投料比＝化學計量數比
（2）生成物含量最大的條件：投料比＝化學計量數比
3．容器類型對轉化率和百分含量的影響
（1）起始量完全相同，非等體反應
①反應物的轉化率：恒壓容器＞恒容容器＞絕熱容器
②產物的百分含量：恒壓容器＞恒容容器＞絕熱容器
（2）起始量完全相同，等體反應
①反應物的轉化率：恒壓容器＝恒容容器＞絕熱容器
②產物的百分含量：恒壓容器＝恒容容器＞絕熱容器
考法03 等效平衡分析
【典例3】（2021 上海松江區高二上學期期末檢測）相同溫度下，在體積相等的三個恒容密閉容器中發生可逆反應：2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）△H＝－196.4kJ/mol。實驗測得起始、平衡時的有關數據如下表：
容器 編號 起始時各物質物質的量/mol 達平衡時體 系能量的變化
SO2 O2 SO3
① 2 1 0 放出熱量：akJ
② 1 0.5 1 放出熱量：bkJ
③ 4 2 0 放出熱量：ckJ
下列敘述正確的是（ ）。
A．放出熱量關系：a＝b
B．三個容器內反應的平衡常數：③＞②＞①
C．平衡時SO3氣體的體積分數：③＞①
D．SO2的轉化率：②＞①＞③
【解析】選C。②與①相比，二者為完全等效平衡，平衡時對應各組分的物質的量相等，②中生成的SO3的物質的量較小，故②中放出的熱量較少，即a＞b，故A錯誤；從平衡常數是只與溫度有關的物理量，與物質的濃度無關，溫度相等平衡常數相等，故B錯誤；③以①相比，③到達的平衡相當于在①的平衡基礎上壓強增大1倍，平衡向右移動，平衡時SO3氣體的體積分數增大，故C正確；③以①相比，③到達的平衡相當于在①的平衡基礎上壓強增大1倍，平衡向右移動，SO2的轉化率增大，故SO2的轉化率：③＞①，故D錯誤。
【知識拓展】等效平衡
1．含義
2．解題方法：極端假設法
（1）按照系數將新加入的原料的量全部換算成起始時反應物或生成物的量
（2）將換算量與原配比量相比較（相等或成比例）
3．全等平衡
（1）平衡條件：起始量相等
（2）平衡特征
①直接判據：某組分的質量、物質的量不變
②間接判據：恒溫恒容下，物質的量濃度不變
③絕對判據：恒溫恒容下，非等體反應均為全等平衡
4．相似平衡
（1）平衡條件：起始量成比例
（2）平衡特征：某組分的百分含量保持不變
①恒溫恒容：等體反應
②恒溫恒壓：任意特征氣體反應
（3）平衡時某組分的量
①等體反應：A（g）+B（g）2C（g）
ψ（C）＝＝
②非等體反應：2A（g）+B（g）2C（g）
n（A）∶n（B）∶n（C）＝nA起∶nB起∶nC平
4．按化學計量數比混合的等效平衡的特殊性
（1）正反應和逆反應的轉化率的關系：正+逆＝1
（2）正反應和逆反應熱量的關系
①Q正+Q逆＝k×|△H |（k＝＝系數的倍數）
②正反應的轉化率：正＝＝
③逆反應的轉化率：逆＝＝
（3）由于起始加入的量及物質不同，反應的程度也不同，所以轉化率和熱量不一定相等。
(
分層提分
)
題組A 基礎過關練
1．（2021·順義區高二檢測）1913年德國化學家哈伯發明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是（ ）。
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
【解析】選B。合成氨反應為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＜0，加壓、降溫、減小NH3的濃度均有利于平衡向正反應方向移動，②④正確；將原料氣循環利用也可提高原料的轉化率，⑤正確。
2．（2021·惠州高二檢測）在合成氨反應中使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是（ ）。
A．都能提高反應速率，都對化學平衡無影響
B．都對化學平衡有影響，但都不影響達到平衡狀態所用的時間
C．都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有施加高壓對化學平衡有影響
D．使用催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而施加高壓無此效果
【解析】選C。對于反應N2（g）+3H2（g）2NH3（g），使用催化劑只能提高反應速率，縮短達到平衡狀態所用的時間，不能使化學平衡發生移動。施加高壓既能提高反應速率，使反應達到平衡狀態所用的時間縮短，也能使化學平衡向生成NH3的方向移動。
3．可逆反應3H2（g）+N2（g）2NH3（g）ΔH＜0，達到平衡后，為了使H2的轉化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是（ ）。
A．升高溫度，減小壓強，增加氮氣
B．降低溫度，增大壓強，加入催化劑
C．升高溫度，增大壓強，增加氮氣
D．降低溫度，增大壓強，分離出部分氨
【解析】選D。本題要求增大合成氨反應中氫氣的轉化率，即在不增加氫氣的情況下改變條件，使平衡正向移動。因合成氨是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，降低溫度平衡正向移動，故A、C項錯誤；加入催化劑可加快反應速率，但對平衡移動無影響，B項錯誤；因合成氨的正反應是氣體體積減小的反應，所以增大壓強會使平衡向正反應方向移動，增加反應物濃度或減小生成物濃度會使平衡向正反應方向移動，D項正確。
4．（2021·江蘇南京高二上學期期末檢測）氯化硫酰（SO2Cl2）主要用作氯化劑。它是一種無色液體，熔點－54.1℃，沸點69.1℃，遇水生成硫酸和氯化氫。氯化硫?？捎酶稍锏亩趸蚝吐葰庠诨钚蕴看呋瘎┐嬖谙路磻迫。篠O2（g）+Cl2（g）SO2Cl2（l）△H＝－97.3kJ/mol。為了提高上述反應中Cl2的平衡轉化率，下列措施合理的是（ ）。
A．擴大容器體積 B．使用催化劑
C．增加SO2濃度 D．升高溫度
【解析】選C。提高Cl2的平衡轉化率，應該使平衡正向移動，增大反應物的濃度、增大反應體系的壓強（縮小容器的體積）、降低溫度，都可以達到該目的。
5．（天津市部分區2021~2022學年度第一學期高二期中練習）有平衡體系：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）ΔH＜0，為了增加甲醇的產量，應采取的正確措施是（ ）。
A．高溫、高壓 B．適宜溫度、高壓、催化劑
C．低溫、低壓 D．高溫、高壓、催化劑
【解析】選B。由CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）ΔH＜0知，該反應為放熱的體積縮小的可逆反應，高溫將會使平衡逆向移動，不利于提高甲醇的產量，但溫度太低，反應速率太慢，也不利用提高單位時間內的產量，所以溫度應適當；高壓能使平衡正向移動，從而提高甲醇的產量；催化劑不能改變生成物的產量，但可提高平衡前單位時間內生成物的產量。高溫對提高甲醇的產量不利，高壓有利于提高甲醇的產量，A不合題意；適宜溫度、高壓、催化劑，都對提高甲醇的產量有利，B符合題意；低溫、低壓，都對提高甲醇的產量不利，C不合題意；高溫對提高甲醇的產率不利，高壓、催化劑對提高甲醇的產率有利，D不合題意。
6．（2020年7月·浙江學考真題）一定條件下：2NO2N2O4；△H＜0。在測定NO2的相對分子質量時，下列條件中，測定結果誤差最小的是（ ）。
A．溫度0℃、壓強50kPa
B．溫度130℃、壓強300kPa
C．溫度25℃、壓強100kPa
D．溫度130℃、壓強50kPa
【解析】選D。測定二氧化氮的相對分子質量，要使測定結果誤差最小，應該使混合氣體中NO2的含量越多越好，為了實現該目的，應該改變條件使平衡盡可以地逆向移動。該反應是一個反應前后氣體分子數減小的放熱反應，可以通過減小壓強、升高溫度使平衡逆向移動，則選項中，溫度高的為130℃，壓強低的為50kPa，結合二者選D。
7．工業合成氨的反應為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.2kJ·mol－1，其部分工藝流程如圖所示。
反應體系中各組分的部分性質如表所示。
氣體 N2 H2 NH3
熔點/℃ －210.01 －252.77 －77.74
沸點/℃ －195.79 －259.23 －33.42
回答下列問題：
（1）該反應的化學平衡常數表達式K＝__________。隨著溫度升高，K值____________（填“增大”“減小”或“不變”）。
（2）合成氨反應的平衡常數很小，所以在工業上將氣體循環利用，即反應后通過把混合氣體的溫度降低到________，將________分離出來；繼續循環利用的氣體是________。
【解析】（1）由合成氨反應的化學方程式可寫出平衡常數表達式K＝，此反應的ΔH＜0，說明該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，c平（NH3）減小，c平（N2）和c平（H2）增大，故K值減小。（2）根據氣體熔沸點的大小可知，氨易液化，將溫度降低到氨氣的沸點（－33.42℃）變為液態后，將氨氣從體系中分離出去可使平衡正向移動，剩余的N2和H2可循環利用，提高產率。
【答案】（1）K＝；減?。?）－33.42℃；氨；N2和H2
8．（2021·上海寶山區高二上學期期中）乙醇是重要的化工產品和液體燃料，可以利用下列反應制取乙醇：
2CO2（g）+6H2（g）CH3CH2OH（g）+3H2O（g）①298K時，K1＝2.95×1011
2CO（g）+4H2（g）CH3CH2OH（g）+H2O（g）②298K時，K2＝1.71×1022
（1）寫出反應①的平衡常數表達式K＝_______________________。
（2）條件相同時，反應①與反應②相比，轉化程度更大的是_______。以CO2為原料合成乙醇的優點是_________________________________________________。（寫出一點即可）
（3）在一定壓強下，測得反應①的實驗數據如下表：
根據表中數據分析：
①溫度升高，K值_________（填“增大”、“減小”或“不變”）。
②提高氫碳比（），對生成乙醇__________（填“不利”或“有利”）。
【解析】（1）反應：2CO2（g）+6H2（g）CH3CH2OH（g）+3H2O（g）的平衡常數表達式為：K＝。（2）因反應②的K大，則正向進行的程度大，即反應物的轉化程度高；以CO2為原料合成乙醇，減少二氧化碳造成的溫室效應，廢棄物利用，有利于環保；（2）①由表格數據可以看出，溫度越高，CO2轉化率越低，則升高溫度平衡逆向移動，則K值越?。虎谟杀碇械臄祿芍?，相同溫度時，提高氫碳比（），則CO2的轉化率增大，化即學平衡正向移動，對生成乙醇有利。
【答案】（1）
（2）反應②；廢棄物利用，有利于環保（合理即可）
（3）①減?、谟欣?br/>題組B 能力提升練
1．（江蘇省揚州2021~2022學年高二上學期期末）合成氨反應為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ/mol，下列有關合成氨反應的說法正確的是（ ）。
A．反應的ΔS＞0
B．反應的ΔH＝E（N－N）+3E（H－H）－6E（N－H）（E表示鍵能）
C．反應中每消耗1molH2轉移電子的數目約等于2×6.02×1023
D．反應在高溫、高壓和催化劑條件下進行可提高H2的平衡轉化率
【解析】選C。該反應是氣體物質的量減少的反應，是熵減的反應，即ΔS＜0，故A錯誤；利用ΔH＝反應物的鍵能總和－生成物鍵能總和，ΔH＝E（N≡N）+3E（H－H）－6E（N－H），故B錯誤；根據反應方程式，氫元素的化合價由0價升高為+1價，即每消耗1mol氫氣轉移電子物質的量為1mol×2＝2mol，故C正確；該反應為放熱反應，根據勒夏特列原理，升高溫度，平衡向逆反應方向進行，氫氣的平衡轉化率降低，使用催化劑，對化學平衡的移動無影響，故D錯誤。
2．（江蘇省百校大聯考2022屆高二上學期期末檢測）工業上可通過反應4HCl（g）+O2（g）2Cl2（g）+2H2O（g）ΔH＝－114.4kJ·mol－1。將HCl轉化為Cl2，下列有關說法正確的是（ ）。
A．使用催化劑能縮短該反應達到平衡的時間
B．升高溫度和增大壓強均能提高反應中HCl的平衡轉化率
C．反應的平衡常數可表示為K＝
D．其他條件相同，增大，HCl的轉化率上升
【解析】選A。使用合適的催化劑能縮短該反應到達平衡的時間；正反應為放熱反應，升高溫度，HCl的平衡轉化率減小；平衡常數表達式中缺少反應物和生成物的冪；增大，HCl的轉化率下降。
3．（2021·九江高二檢測）合成氨反應通常控制在20～50MPa的壓強和500℃左右的溫度，且進入合成塔的氮氣和氫氣的體積比為1∶3，經科學測定，在相應條件下氮氣和氫氣反應所得氨的平衡濃度（體積分數）如表所示：
20MPa 60MPa
500℃ 19.1 42.2
而實際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約為15%，這表明（ ）。
A．表中所測數據有明顯誤差
B．生產條件控制不當
C．氨的分解速率大于預測值
D．合成塔中的反應并未達到平衡
【解析】選D。表中數據為通過科學實驗所得，不可能有明顯誤差；合成氨連續操作，不可能對生產條件控制不當；平衡濃度與速率的大小沒有直接關系，因此答案選D。這說明合成氨工業考慮單位時間的產量問題，并未讓合成氨反應達到平衡，因為讓反應達到平衡需要一定的時間，時間太長得不償失。
4．（雙選）乙烯氣相直接水合反應制備乙醇：C2H4（g）+H2O（g）C2H5OH（g）。乙烯的平衡轉化率隨溫度、壓強的變化關系如圖［起始時，n（H2O）＝n（C2H4）＝1mol，容器體積為1L］。下列分析不正確的是（ ）。
A．乙烯氣相直接水合反應的ΔH＞0
B．圖中壓強的大小關系為p1＞p2＞p3
C．圖中a點對應的平衡常數的數值K＝
D．達到平衡狀態a、b所需要的時間：a＞b
【解析】選AB。壓強不變時，升高溫度乙烯轉化率降低，平衡逆向移動，正反應為放熱反應，則ΔH＜0，故A不正確；相同溫度下，增大壓強平衡正向移動，乙烯轉化率增大，根據圖知，壓強：p1＜p2＜p3，故B不正確；a點乙烯轉化率為20%，則消耗的n（C2H4）＝1mol×20%＝0.2mol，根據“三段式”：
C2H4（g） + H2O（g） C2H5OH（g）
起始mol/L 1 1 0
變化mol/L 0.2 0.2 0.2
平衡mol/L 0.8 0.8 0.2
化學平衡常數K＝＝＝L/mol，故C正確；溫度越高、壓強越大，化學反應速率越快，反應達到平衡時間越短，溫度、壓強：a＜b，則反應速率：a＜b，所以達到平衡狀態a、b所需要的時間：a＞b，故D正確。
5．在一定條件下，利用CO2合成CH3OH的反應為CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1，研究發現，反應過程中會發生副反應為CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2，溫度對CH3OH、CO的產率影響如圖所示。下列說法中不正確的是（ ）。
A．△H1＜0，△H2＞0
B．增大壓強有利于加快合成反應的速率
C．選用合適的催化劑可以減弱副反應的發生
D．生產過程中，溫度越高越有利于提高CH3OH的產率
【解析】選D。根據圖示升高溫度CH3OH的產率降低，反應CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）向逆反應方向移動，ΔH1＜0，升高溫度CO的產率增大，反應CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）向正反應方向移動，ΔH2＞0，選項A正確；反應有氣體參與，增大壓強有利于加快合成反應的速率，選項B正確；催化劑有一定的選擇性，選用合適的催化劑可以減弱副反應的發生，選項C正確；由圖像可見，溫度越高CH3OH的產率越低，選項D錯誤。
6．有兩個極易導熱的密閉容器a和b（如圖所示），a容器體積恒定，b容器壓強恒定。在同溫同壓和等體積條件下，向a和b兩容器中通入等物質的量的NO2，發生反應：2NO2N2O4 △H＜0，則以下說法正確的是（ ）。
A．反應起始時兩容器的反應速率va和vb的關系：va＜vb
B．反應過程中兩容器內的反應速率va和vb的關系：va＜vb
C．反應達到平衡時，兩容器內壓強相同
D．反應達到平衡時，兩容器的NO2的轉化率相同
【解析】選B。起始時溫度、濃度和壓強都是相同的，所以反應速率相同，A不正確。反應是體積減小的可逆反應，因此在反應過程中b中的壓強始終大于a中的壓強，因此反應速率快，B正確，C不正確。由于壓強大有利于平衡向正反應方向移動，所以b中的轉化率大于a中的轉化率，D不正確。
7．以黃鐵礦（FeS2）為原料，采用接觸法生產硫酸的流程可簡示如下：
請回答下列問題：
（1）在爐氣制造中，生成SO2的化學方程式為______________________________；
（2）爐氣精制的作用是將含SO2的爐氣_______________、_______________及干燥，如果爐氣不經過精制，對SO2催化氧化的影響是礦塵，砷、硒等化合物使_______，水蒸氣對設備和生產有不良影響。
（3）精制爐氣（含SO2體積分數為7％、O2為11％、N2為82％）中SO2平衡轉化率與溫度及壓強關系如下圖所示。在實際生產中，SO2催化氧化反應的條件選擇常壓、450℃左右（對應圖中A點），而沒有選擇SO2轉化率更高的B或C點對應的反應條件，其原因分別是__________________________________________________________、__________________________________________________________________；
（4）在SO2催化氧化設備中設置熱交換器的目的是_______________、上層反應氣經熱交換器溫度降到400℃～500℃進入下層使反應更加完全，從而充分利用能源。
【解析】（1）黃鐵礦的主要成分是FeS2，在高溫條件下與氧氣反應生成Fe2O3和SO2；（2）在催化氧化時必須進行除塵、洗滌、干燥，以達到除去砷、硒等化合物的效果，這些物質會使催化劑中毒，并且水蒸氣在高溫下與鐵反應，對設備和生產有不良影響。（3）在反應2SO2+O22SO3中，SO2轉化率較高，工業上一般不采用更高的壓強，因為壓強越大對設備的投資越大，消耗的動能越大．SO2的轉化率在1個大氣壓下的轉化率已達到97%左右，在提高壓強，SO2的轉化率提高的余地很小，本反應為放熱反應，工業生產中不采取較低的溫度，因為溫度越低，SO2的轉化率雖然更高，但催化劑的催化作用會受影響，450℃時，催化劑的催化效率。（4）在SO2催化氧化設備中設置熱交換器，把不同溫度之間的氣體進行熱交換，可預熱反應氣體，冷卻生成氣體，可起到充分利用能源的目的。
【答案】（1）4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
（2）除塵；水洗；催化劑中毒
（3）不選B點，因為壓強越大對設備的投資大，消耗的動能大，SO2原料的轉化率在1個大氣壓下已經達到97%左右，再提高壓強，SO2的轉化率提高的余地很小，所以采用1個大氣壓。不選擇C點，因為溫度低，SO2轉化率雖然更高，但催化劑的催化作用受影響，450℃時，催化劑的催化效率最高。故選擇A點，不選C點。
（4）利用反應放出的熱量預熱原料氣
8．某溫度下，在1L的密閉容器中加入1molN2、3molH2，使反應N2+3H22NH3達到平衡，測得平衡混合氣體中N2、H2、NH3分別為0.6mol、1.8mol、0.8mol，維持溫度和容器體積不變，令x、y、z代表初始加入的N2、H2、NH3的物質的量（mol）。如果x、y、z取不同的數值，它們必須滿足一定的相互關系，才能保證達到平衡時，反應混合物中三種氣體的物質的量仍跟上述平衡時完全相同。請填寫下列空白：
（1）若x＝0，y＝0，則z＝_________。
（2）若x＝0.75，則y＝_________，z＝_________。
（3）x、y、z應滿足的一般條件是（用含x、y、z的關系式表示）_________。
【解析】（1）加入2molNH3，完全分解即為1molN2、3molH2，所以與原平衡等效。（2）欲與原平衡等效，將NH3完全分解后容器中應為1molN2、3molH2，現N2為0.75mol，則還須0.25mol，根據方程式可用0.5molNH3提供，0.5molNH3分解還產生0.75molH2，則H2起始時應加3mol－0.75mol＝2.25mol。（3）將zmolNH3完全分解后，可得mol N2、molH2，與起始時加入的量之和必須是1molN2、3molH2才與已知平衡等效。即，
【答案】（1）2mol （2）y＝2.25mol、z＝0.5mol
（3），
題組C 培優拔尖練
1．（2022年1月浙江選考化學仿真模擬試卷A）苯乙烯與溴苯在一定條件下發生Heck反應：++HBr，某實驗小組在原料及催化劑鈀用量等均相同的條件下進行多組實驗，測得如下數據；
反應溫度/℃ 100 100 100 100 120 140 160
反應時間/h 10 12 14 16 14 14 14
產率/% 81.2 84.4 86.6 86.2 93.5 96.6 96.0
下列說法正確的是（ ）。
A．該反應為吸熱反應
B．由表中數據可知最佳反應條件為120℃、14h
C．在100℃時、反應時間10~14h內，產率增加的原因是反應速率增大
D．從140℃升到160℃，反應相同時間產率下降的原因可能是平衡向逆反應方向移動
【解析】選D。A項，由表中數據可知，溫度為100℃時，隨時間的推移產率增大，說明在該溫度下14小時還未達到平衡，反應還在正向進行，此產率并非是平衡時的產率，由140℃升到160℃，反應相同時間產率下降的原因可能是平衡向逆反應方向移動，故該反應為放熱反應，A錯誤；B項，由表中數據可知，反應條件為140℃、14h時產率最高，故為最佳反應條件，B錯誤；C項，溫度不變，隨著反應的進行反應物濃度減小，反應速率減慢，而在100℃時、反應時間10－14h內，產率增加的原因是在該溫度下14小時還未達到平衡，反應還在正向進行，生成的產物越來越多，產率增大，C錯誤；D項，由A項分析可知，從140℃升到160℃，反應相同時間產率下降的原因可能是平衡向逆反應方向移動，也可能是催化劑高溫下失去活性，D正確。
2．（2021·徽州高二檢測）工業合成氨的正反應是放熱反應，下列關于N2（g）+3H2（g）2NH3（g）反應的圖象中，錯誤的是（ ）。
【解析】選C。合成氨的正反應是放熱反應，升高溫度正、逆反應速率都增大，但逆反應速率增大的程度大，A正確；在T1時φ（NH3）最大，達到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動，φ（NH3）減小，B正確，C錯誤；增大壓強，平衡正向移動，φ（NH3）增大，D正確。
3．反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均會在工業生產硝酸過程中發生，其中反應Ⅰ、Ⅱ發生在氧化爐中，反應Ⅲ發生在氧化塔中，不同溫度下各反應的化學平衡常數如下表所示。下列說法正確的是（ ）。
溫度（K） 化學平衡常數
反應Ⅰ：4NH3+5O2→4NO+6H2O 反應Ⅱ：4NH3+3O2→2N2+6H2O 反應Ⅲ：2NO+O2→2NO2
500 1.1×1026 7.1×1034 1.3×102
700 2.1×1019 2.6×1025 1.0
A．使用選擇性催化反應Ⅰ的催化劑可增大氧化爐中NO的含量
B．通過改變氧化爐的溫度可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ
C．通過改變氧化爐的壓強可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ
D．氧化爐出氣在進入氧化塔前應進一步提高溫度
【解析】選A。使用選擇性催化反應Ⅰ的催化劑可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ，增大氧化爐中NO的含量，故A正確；升高溫度，反應Ⅰ和反應ⅡK值均減小，則正反應均為放熱反應，無法通過改變氧化爐的溫度可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ，故B錯誤；反應Ⅰ和反應Ⅱ正反應均為增大壓強的反應，無法通過改變氧化爐的壓強可促進反應Ⅰ而抑制反應Ⅱ，故C錯誤；氧化爐出氣在進入氧化塔前應降低溫度，提高氨氣的轉化率，故D錯誤。
4．（2021·黑龍江大慶高二上學期期末檢測）汽車尾氣凈化器中發生的反應為2NO（g）+2CO（g）N2（g）+2CO2（g）。一定溫度下，在三個體積均為1.0L的恒容密閉容器中發生上述反應，測得有關實驗數據如表：
容器 溫度（℃） 起始物質的量（mol） 平衡物質的量（mol）
NO CO N2 CO2 N2 CO2
I 400 0.2 0.2 0 0 0.12
II 400 0.4 0.4 0 0
III 300 0 0 0.1 0.2 0.075
下列說法正確是（ ）。
A．該反應的△S＜0、△H＞0
B．容器I中達到平衡所需時間2s，則v（N2）＝0.06mol/（L·s）
C．若起始時向I中充入NO、CO、N2、CO2各0.1mol，開始時v（正）＞v（逆）
D．達到平衡時，體系中c（CO）關系：c（CO，容器Ⅱ）＞2c（CO，容器Ⅰ）
【解析】選C。反應前的氣體系數之和大于反應后氣體系數之和，此反應屬于熵減，即△S＜0，反應I中產生的N2的物質的量為mol＝0.06mol，對比反應I和反應III，降低溫度，N2的物質的量升高，說明降低溫度，平衡向正反應方向移動，即△H＜0，故A錯誤；容器I達到平衡N2的物質的量為mol＝0.06mol，根據化學反應速率的數學表達式，v（N2）＝＝0.03mol/（L·s），故B錯誤；根據表格容器I數據列“三段式”：
2NO + 2CO N2 + 2CO2
起始mol 0.2 0.2 0 0
變化mol 0.12 0.12 0.06 0.12
平衡mol 0.08 0.08 0.06 0.12
根據化學平衡常數的表達式，K＝＝＝21，若起始時向I中充入NO、CO、N2、CO2各0.1mol，此時的濃度商Qc＝＝＝10＜21，說明反應向正反應方向進行，v正＞v逆，故C正確；反應II相當于在I的基礎上再通入0.2molNO和0.2molCO，此時假如平衡不移動，c（CO，容器II）＝2c（CO，容器I），增大反應物的濃度，平衡向正反應方向移動，因此有c（CO，容器II）＜2c（CO，容器I），故D錯誤。
5．把2mol SO2和2mol SO3氣體，混和于固定容積的密閉容器中，在一定條件下發生反應：2SO2+O22SO3，平衡時SO3為nmol。在相同溫度下，分別按下列配比在相同體積的密閉容器中放入下列起始物質，達平衡時SO3的物質的量大于n mol的是（ ）。
A．2mol SO2+1mol O2 B．4mol SO2+1mol O2
C．2mol SO2+1mol O2+2mol SO3 D．3mol SO2+1mol SO3
【解析】選C。本題可以利用“恒溫恒容”下等效平衡的知識，通過比較幾種狀態量的的關系來分析，判斷。先將開始時的2mol SO3氣體換算成2mol SO2和1mol O2，所以相當于一開始有4mol SO2和1mol O2，再將選項中的SO3氣體換算成SO2和O2的量。
方程式 2SO2+O22SO3 結論
物質 SO2 O2 平衡時SO3
選項 起始 4mol 2mol nmol 平衡
A 4mol－2mol 1mol 小于nmol 不符合
B 4mol 1mol nmol 不符合
C 4mol 1mol+1mol 大于nmol 符合
D 4mol 1mol－0.5mol 小于nmol 不符合
6．（2021·保定高二上學期期末檢測）為妥善處理氯甲烷生產企業的副產物CCl4，以減少其對臭氧層的破壞?；瘜W家研究在催化條件下，通過下列反應：CCl4+H2CHCl3+HCl使CCl4轉化為重要的化工原料氯仿（CHCl3）。此反應伴隨有副反應，會生成CH2Cl2、CH3Cl和CH4等。已知CCl4的沸點為77℃，CHCl3的沸點為61.2℃。
（1）在密閉容器中，該反應達到平衡后，測得如下數據（假設不考慮副反應）。
實驗序號 溫度℃ 初始CCl4濃度 （mol·L－1） 初始H2濃度 （mol·L－1） CCl4的平 衡轉化率
1 110 0.8 1.2 A
2 110 1 1 50%
3 100 1 1 B
①此反應的化學平衡常數表達式為______________，在110℃時平衡常數為_______。
②實驗l中，CCl4的轉化率A_______50％（填“大于”、“小于”或“等于”）。
③實驗2中，10 h后達到平衡，H2的平均反應速率為______________。
④實驗3中，B的值______________（選填序號）。
A．等于50％ B．大于50％
C．小于50％ D．從本題資料，無法判斷
（2）120℃，在相同條件的密閉容器中，分別進行H2的初始濃度為2mol·L一1和4mol·L－1的實驗，測得反應消耗CCl4的百分率（x％）和生成物中CHCl3，的百分含量（y％）隨時間（t）的變化關系如下圖（圖中實線是消耗CCl4的百分率變化曲線，虛線是產物中CHCl3的百分含量變化曲線）。
在圖中的四條線中，表示H2起始濃度為2mol·L一1實驗的消耗CCl4的百分率變化曲線是_______（選填序號）。根據上圖曲線，氫氣的起始濃度為_______mol·L一1時，有利于提高CCl4的平衡轉化率和產物中CHCl3的百分含量。你判斷的依據是________________________。
【解析】（1）因CCl4的沸點為77℃，CHCl3的沸點為61.2℃，所以在110℃或100℃時反應中各物質的狀態均為氣態，其平衡常數K＝。110℃由實驗2可知反應中各物質的平衡濃度均為0.5mol·L－1，代入表達式計算得常數為1。實驗1和實驗2的反應溫度相同，所以其平衡常數相同，利用這一相等，可以求出實驗1中CCl4的平衡轉化率，然后與50％比較，對于實驗3，因溫度不同，又不知該反應的熱效應，所以無法判斷轉化率的大小。（2）由圖像可知，氫氣濃度越大反應越快，消耗CCl4的百分率變化就越快，相反就比較慢，所以H2起始濃度為2mol·L一1時，消耗CCl4的百分率變化曲線是③，CCl4的平衡轉化率和產物中CHCl3的百分含量均得到提高的是①和②，此時氫氣的濃度為4 mol·L－1。
【答案】（1）K＝，1 ②大于 ③0.05mol·L－1·h－1 ④D
（2）③；4；圖中可見，4mol·L－1的①②曲線比2mol·L－1③④曲線CCl4轉化率和產物中CHCl3的百分率的數值均高

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