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第2課時 化學反應的調控
習題課
第二章 第四節
4、合成氨工業對國民經濟和社會發展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應　
ΔH<0
673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)隨時間的變化關系如圖所示。下列說法中
正確的是 (　　)
A、P點處反應達到平衡
B、Q點(t1時刻)和E點(t2時刻)處n(N2)不同
C、其他條件不變，773 K下反應至t1時刻
n(H2)比圖中的Q點的值要大
D、M點的正反應速率比 N點的正反應速率小
C
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4. 解析：A. P點是氫氣和氨的物質的量相等的點，該點以后，氫氣的量還在減少，氨的量還在增加，故P點沒有達到平衡，A項錯誤；
B. t1和t2兩個時刻反應均處于平衡狀態，體系中各物質的物質的量不再變化，故Q、E兩點氮氣的物質的量相等，B項錯誤；
C. 773 K>673 K，工業合成氨為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，氫氣的物質的量增大，C項正確；
D. 反應達到平衡前，M點反應物濃度大于N點反應物濃度，因此M點的正反應速率比N點的正反應速率大，D項錯誤。
6、工業上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯
在容積固定的密閉容器中，投入等物質的量的CH3OH和CO，測得相同時間內CO的轉化率隨溫度的變化如圖所示。
下列說法錯誤的是 (　　)
A、增大壓強，甲醇轉化率增大
B、B點反應速率v正=v逆
C、平衡常數:K(75 ℃)>K(85 ℃);反應速率:vBD、生產時反應溫度控制在80~85 ℃為宜
B
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解析：A. 該反應的正反應是氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的轉化率增大，故A項正確；
B. 由題圖可知，隨著溫度的升高，CO的轉化率先增大后減小，在相同時間內，約83 ℃時反應達到平衡，B點時反應沒有達到平衡，仍向正反應方向進行，則v正>v逆，故B項錯誤；
C. 達到平衡后，升高溫度，CO轉化率降低，平衡逆向移動，平衡常數減小，則K(75 ℃)>K(85 ℃)，溫度越高反應速率越大，因此vBD. 由題圖可知，在80~85 ℃時，CO的轉化率較大，且反應速率較大，因此生產時反應溫度控制在80~85 ℃為宜，故D項正確。
8.(2022·江蘇泰州高二期末)用ZSM-5分子篩催化1-丁烯裂解制丙烯的反應體系中，主要發生的反應如下。
反應Ⅰ：　 ΔH=+579 kJ/mol
反應Ⅱ： 　ΔH=+283 kJ/mol
已知催化劑ZSM-5分子篩的篩孔徑越小，越有利于生成碳原子數少的產物。在0.5 MPa下，上述體系平衡時丁烯、丙烯、乙烯的質量分數與溫度的關系如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A、圖中曲線x表示丁烯的質量分數隨溫度的變化
B、在0.5 MPa下，該工藝選擇的適宜溫度為300 ℃
C、 的ΔH=+296 kJ/mol
D、高于500 ℃，丙烯質量分數降低可能是因為裂解產生的碳顆粒附著在ZSM-5分子篩的篩孔上所致
D
解析：A. 由圖可知，曲線x表示生成物乙烯的質量分數與溫度的關系，曲線y為丁烯的質量分數與溫度的關系，300 ℃時，乙烯的質量分數最小，丙烯的質量分數最大，當溫度高于500 ℃時，催化劑的活性降低導致丙烯質量分數降低。由分析可知，曲線x表示生成物乙烯的質量分數與溫度的關系，故A項錯誤；
B. 由分析可知，在0.5 MPa下，500 ℃時，丙烯的質量分數最大，則生成丙烯的適宜溫度為500 ℃，故B項錯誤；
C. 由蓋斯定律可知，得反應 ，則ΔH==+148 kJ/mol，故C項錯誤；因為催化劑 ZSM-5 分子篩的篩孔徑越小，越有利于生成碳原子數少的產物。
D. 當溫度高于500 ℃時，丙烯質量分數降低可能是因為裂解產生的碳顆粒附著在 ZSM-5 分子篩的篩孔上所致，故D項正確。
9、298.15 K時，N2、H2與NH3的平均能量與合成氨反應的活化能的曲線圖如圖所示，據圖回答下列問題。
(1)若反應中生成2 mol氨，則反應　　　(填“吸熱”或“放熱”)　　kJ。
(2)圖中曲線　　(填“a”或“b”)表示加入鐵觸媒的能量變化曲線，鐵觸媒能增大反應速率的原理是 　 　
。
放熱
92
b
催化劑改變了反應的歷程，降低了合成氨反應的活化能
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(3)合成氨反應中平衡混合物中氨的體積分數與壓強、溫度的關系如圖所示。若曲線c對應的溫度為500 ℃，則曲線d對應的溫度可能是　　　(填字母)
A.600 ℃ B.550 ℃ C.500 ℃ D.450 ℃
D
解析： (1)由圖中能量狀態可知，N2與H2具有的總能量高于NH3所具有的能量，故該反應為放熱反應，并且反應 ，每生成2 mol NH3放出(600-508) kJ=92 kJ熱量。
(2)合成氨反應中，加入鐵觸媒后，由于改變了反應歷程，使反應的活化能降低，從而增大了反應速率，故曲線b代表加催化劑后的能量變化曲線。
(3)對于合成氨反應，當其他條件不變時，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，平衡混合物中NH3的體積分數降低。圖像中，當壓強不變時，曲線d對應的溫度下平衡混合物中NH3的體積分數大于曲線c對應的NH3的體積分數，所以曲線d對應的溫度低于曲線c對應的溫度。
①表中x=　　　　　　；前2 min內CH4的反應速為　 　　　　。
②反應在3~4 min時，氫氣的物質的量增多的原因可能是　　　　(填字母)。
A、充入水蒸氣 B、升高溫度
C、使用催化劑 D、充入氫氣
(4)合成氨所需的氫氣可由甲烷與水反應制備。發生的反應為
ΔH>0
一定溫度下,在容積為1 L的密閉容器中發生上述反應,各物質的物質的量濃度變化如下表:
B
0.05 mol/(L· min)
0.11
(4)①前2 min內CH4的反應速率為v(CH4)=v(H2)=×=0.05 mol/(L·min)。由表分析2~
3 min時，反應達到平衡狀態，此時生成H2的濃度為0.3 mol/L。
　　　0.2　 　0.3　　　0　　 0
　　　0.1　 　0.2　　　0.1　　 0.3
　　　0.1　 　0.2　　　0.1　　 0.3
　　　0.09　　0.19　　 0.11　 0.33
所以x=0.11
②3 min時，若充入水蒸氣，平衡向右移動，4 min時，水蒸氣濃度應大于0.2 mol/L；若升高溫度，平衡向右移動，反應物濃度均減小，生成物濃度均增加，而且變化量正好等于化學計量數之比，該條件符合要求；使用催化劑，平衡不移動；充入H2，平衡向左移動，CH4、H2O的濃度均大于3 min 時的濃度。
10、科學家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑(摻有少量Fe2O3的TiO2)表面與水發生反應，生成的主要產物為NH3。進一步研究NH3生成量與溫度的關系，部分實驗數據見下表(光照、N2壓強 1.0×105 Pa、反應時間3 h)。
相應的熱化學方程式為 　 ΔH=+765.2 kJ/mol
回答下列問題。
(1)與目前廣泛使用的工業合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率較小。請提出可增大其反應速率且增大NH3生成量的建議:　 。
升溫、增大N2濃度
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(2)工業合成氨的反應為 。設在容積為 2.0 L的密閉容器中充入0.60 mol N2(g)與1.60 mol H2(g)，反應在一定條件下達到平衡時，NH3的物質的量分數(NH3的物質的量與反應體系中總的物質的量之比)為 。則:
①該條件下N2的平衡轉化率為　 。
②該條件下反應 的平衡常數為　 　　。
③根據合成氨反應的特點分析，當前比較有前途的研究發展方向
是　　　　(填字母)。
A.研制耐高壓的合成塔
B.采用超大規模的工業生產
C.研制耐低溫復合催化劑
D.探索不用H2與N2合成氨的新途徑
66.7%
5.0×10-3
C
解析: (2)①設反應過程中消耗x mol N2(g)。
起始量/mol　　　0.60　　1.60　　　　 0
變化量/mol　　　 x　　 　3x　　　　 2x
平衡量/mol　　 0.60-x　 1.60-3x　　 2x
平衡時反應體系總物質的量=[(0.60-x)+(1.60-3x)+2x] mol=(2.20-2x) mol，
NH3(g)的物質的量分數為= ，解得x=0.40，
N2的平衡轉化率為 ×100%≈66.7%。
②設此時反應的平衡常數為K。
平衡時，c(NH3)= mol/L=0.40 mol/L，
c(N2)= =0.10 mol/L，
c(H2)= mol/L=0.20 mol/L，因此，K= =5.0×10-3。
1．我國科研人員研制了Ti H Fe雙溫區催化劑 (Ti H區域和Fe區域的溫度差可超過100℃)利用該催化劑合成氨的反應歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面上的物種用*標注。下列說法正確的是( )
A．該歷程中能量變化最大的是2.46eV，是氮
分子中氮氮三鍵的斷裂過程
B．在高溫區加快了反應速率，低溫區提高了氨的產率
C．③為N原子由Fe區域向Ti H區域的傳遞過程
D．①③在高溫區發生，②④⑤在低溫區發生
B
能力提升----反應歷程
1.解析：A．該歷程中能量變化最大的是2.46eV，是氮分子中吸附過程，氮氮三鍵的斷裂過程是歷程②，吸熱 1.87eV ( 2.46eV)=0.59eV，故A錯誤；
B．一般而言，升高溫度可提高反應速率，則在高溫區加快了反應速率，由于合成氨反應是放熱反應，因此低溫區提高了氨的產率，故B正確；
C．③為Ti H Fe吸附N的歷程，④為N原子由Fe區域向Ti H區域的傳遞過程，故C錯誤
D．①是催化劑吸附氮氣的歷程，②是過渡態的歷程，③為氮氣解離為氮原子的歷程，都為吸熱反應，因此在高溫區發生，④⑤為了增大平衡產率，需要在低溫區進行，故D錯誤。綜上所述，答案為B。
解題思路
反應歷程：涉及多步反應
(1)單個反應步驟的含義
(2)單個反應步驟的能量變化值
(3)決速步反應：決定一個反應速率快慢的關鍵步驟，即活化能最高的反應步驟
2．羰基硫(COS)是一種糧食熏蒸劑，能防止某些害蟲和真菌的危害。在一定條件下，將CO與H2S以體積比1：2置于某剛性密閉容器中發生下列反應：CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)。下列說法正確的是（ ）
A．升高溫度，H2S的濃度增大，表明該反應是吸熱反應
B．通入CO后，正反應速率逐漸增大，逆反應速率不變
C．COS與H2的體積比保持不變時，說明反應達到平衡狀態
D．向反應器中再通入CO，能使H2S的轉化率增大
D
能力提升----速率與轉化率
2.解析：A．升高溫度，H2S的濃度增大，說明平衡逆向移動。升高溫度，平衡向吸熱反應方向移動，所以表明該反應的正反應是放熱反應，故A錯誤；
B．通入CO后，反應物濃度增大，正反應速率逐漸增大，平衡正向移動，生成物濃度隨之增大，逆反應速率也隨之增大，故B錯誤；
C．COS與H2都是生成物，該反應起始時加入的是反應物，則生成物COS和H2的體積比始終為1：1，所以COS和H2體積比保持不變時，不能說明反應達到平衡狀態，故C錯誤；
D．向反應器中再通入CO，平衡正向移動，轉化的H2S增多，則H2S的轉化率增大，故D正確；
A
3．在恒容密閉容器中通入A、B兩種氣體，在一定條件下發生反應：
達到平衡后，改變一個條件(x)，下列量(y)一定符合圖中曲線的是（ ）
A．A B．B C．C D．D
能力提升----速率與轉化率
3.解析：A．恒容下再加氣體A，A的濃度增大，平衡正移，B的轉化率增大，A正確
B．催化劑只改變反應速率，不影響平衡移動，與圖象不符，B錯誤；
C．該反應是一個反應后氣體分子數減小的反應，增大壓強，平衡正移，混合氣體的總物質的量減小，與圖象不符，C錯誤；
D．該正反應為吸熱反應，升高溫度，平衡正移，混合氣體的總物質的量減小，與圖象不符，D錯誤；
D
4．合成氨反應為： 下列說法正確的是( )
A．合成氨反應在任何溫度下都能自發
B．1molN2與過量H2充分反應放熱92.4kJ
C．合成氨實際生產中選擇高壓和低溫
D．將氨液化分離，可促進平衡正移及循環利用氮氣和氫氣
能力提升----速率與轉化率
4.解析：A．合成氨時放熱且熵減的反應，根據 G= H-T S＜0能自發可知，該反應低溫下能自發，A錯誤；
B．該反應為可逆反應，不能完全進行，因此1molN2與過量H2充分反應放熱小于92.4kJ，B錯誤；
C．為了加快反應速率，實際生產中選擇高壓(10-20MPa)和高溫(400℃-500℃)，C錯誤；
D．氨氣易液化，液化分離后生成物減少，平衡正向移動，沒有液化的H2和N2可以繼續放入反應器中反應，循環利用，D正確；
解題思路
速率和轉化率
(1)了解反應本身特點
(2)溫度、壓強、濃度、催化劑對反應的影響
(3)速率計算，轉化率計算(注意單位)
(4)判斷平衡狀態(如某個條件不變，則證明處于平衡狀態)
D
5．以Fe3O4為原料煉鐵，主要發生如下反應：
反應Ⅰ：
反應Ⅱ：
將一定體積CO通入裝有Fe3O4粉末的反應器，其它條件不變，反應達平衡，測得CO的體積分數隨溫度的變化關系如圖所示。下列說法正確的是（ ）
A．Q2＜0
B．反應溫度越高，Fe3O4主要還原產物中鐵元素的價態越低
C．在恒溫、恒容的反應器中，當壓強保持不變時，反應Ⅰ、Ⅱ均達到平衡狀態
D．溫度高于1040℃時，反應I的化學平衡常數K＞4
能力提升----平衡常數
5．解析：A．反應Ⅰ是吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，CO體積分數減小，而圖中溫度在570℃以下，CO的體積分數增大，說明反應Ⅱ逆向移動，則反應Ⅱ是放熱反應即Q2＞0，故A錯誤；B．根據圖中信息可知，溫度在570℃以上，CO的體積分數隨溫度升高不斷減小，說明以反應Ⅰ為主，反應溫度越高，Fe3O4主要還原產物中鐵元素的價態越高，故B錯誤；C．反應Ⅰ、Ⅱ都是等體積反應，因此在恒溫、恒容的反應器中，當壓強保持不變時，反應Ⅰ、Ⅱ不能說明達到平衡狀態，故C錯誤；D．由圖中信息可知，在1040℃時，發生的反應為反應Ⅰ，一氧化碳體積分數為20%，則反應的平衡常數，反應Ⅰ是吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，平衡常數增大，當溫度高于1040℃時，因此反應I的化學平衡常數K＞4，故D正確。
解題思路
平衡常數
(1)了解反應本身特點
(2)三段式(注意單位，不能忽視體積)
(3)改變條件對平衡常數的影響
能
高
低
“熱Fe”高于體系溫度，N2在“熱Fe”表面斷裂，有利于提高合成氨反應速率
“冷Ti”低于體系溫度，氨氣在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡產率
＜
＞
1
減小
調控的考慮因素
是否影響平衡：轉化率、產率、產物占比
是否影響速率：生產效率、反應接觸時間受限
是否節約成本：特殊工藝設計，部分條件選擇
化學反應的調控
影響化學反應進行的因素
本身因素
反應條件
組成、結構和性質
溫度
壓強
濃度
催化劑
化學反應的調控
綜合分析影響
速率與平衡的因素
THANKS

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