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第四節(jié)　化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
課后·訓(xùn)練提升
基礎(chǔ)鞏固
1.合成氨工業(yè)中既能增大反應(yīng)速率,又能提高氨的產(chǎn)率的方法是(　　)。
①減小壓強　②增大壓強　③升溫　④降溫　⑤及時從平衡混合氣中分離出NH3　⑥分離出NH3后的N2、H2加壓后輸入合成塔　⑦加催化劑
A.①④⑤⑦ B.③⑤
C.②⑥ D.②③⑥⑦
答案:C
解析:合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的特點為可逆、放熱、氣體體積減小。要使平衡向正反應(yīng)方向移動且反應(yīng)速率增大,可以增大壓強或反應(yīng)物濃度。
2.對于合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,下列研究結(jié)果和示意圖相符的是(　　)。
選項 A B
研究 結(jié)果 壓強對反應(yīng)的影響 溫度對反應(yīng)的影響
圖示
研究 結(jié)果 平衡體系增加N2對反應(yīng)的影響 催化劑對反應(yīng)的影響
圖示
答案:C
解析:A項,由于p1條件先達(dá)到平衡,故p1>p2,由p1→p2,減小壓強,化學(xué)平衡左移, NH3的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)降低,錯誤;B項,由于此反應(yīng)ΔH<0,故升溫平衡左移,N2的轉(zhuǎn)化率降低,錯誤;C項,增大N2的量,會使正反應(yīng)速率瞬間增大,化學(xué)平衡右移,正確;D項,使用催化劑,能加快反應(yīng)速率,縮短到達(dá)平衡的時間,錯誤。
3.一定溫度下,在恒壓容器a和恒容容器b中,分別充入體積比為1∶3的N2和H2。開始時體積相同,達(dá)到平衡時兩容器中N2的轉(zhuǎn)化率比較(　　)。
A.a大 B.b大
C.a、b一樣大 D.無法判斷
答案:A
解析:先假設(shè)a容器開始時也保持容積不變,達(dá)到平衡時,容器a中N2的轉(zhuǎn)化率α(a)與容器b中N2的轉(zhuǎn)化率α(b)相等,即α(a)=α(b)。但達(dá)到平衡時,a容器的壓強比開始變小了。若要保持開始時的壓強,必須縮小容器a的容積,則平衡正向移動。因此再達(dá)平衡時,N2的轉(zhuǎn)化率α1(a)變大了。即α1(a)>α(a),則α1(a)>α(b)。
4.納米鈷常用于CO加氫反應(yīng)的催化劑:CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)　ΔH<0,下列說法正確的是(　　)。
A.納米技術(shù)的應(yīng)用,優(yōu)化了催化劑的性能,提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率
B.縮小容器容積,平衡向正反應(yīng)方向移動,CO的濃度增大
C.從平衡體系中分離出H2O(g)能加快正反應(yīng)速率
D.工業(yè)生產(chǎn)中采用高溫條件下進(jìn)行,其目的是提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率
答案:B
解析:催化劑的優(yōu)化不影響平衡的移動,不能提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率,A項錯誤;縮小容器容積即增大壓強,平衡向氣體體積減小的方向即正向移動,體系中各組分濃度均增大,B項正確;減小c(H2O)時正反應(yīng)速率瞬間不變,v逆減小,平衡正向移動,C項錯誤;升高溫度,平衡逆向移動,CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低,D項錯誤。
5.德國化學(xué)家哈伯因發(fā)明用氮氣和氫氣合成氨的方法而獲得1918年諾貝爾化學(xué)獎。下列所示是哈伯法的流程圖,其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是(　　)。
A.①②③ B.②④⑤
C.①③⑤ D.②③④
答案:B
解析:②④⑤操作均有利于合成氨的化學(xué)平衡向右移動,提高轉(zhuǎn)化率。
6.某溫度下,對于反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。N2的平衡轉(zhuǎn)化率(α)與體系總壓強(p)的關(guān)系如圖所示。下列說法正確的是(　　)。
A.將1 mol氮氣、3 mol氫氣,置于1 L密閉容器中發(fā)生反應(yīng),放出的熱量為92.4 kJ
B.平衡狀態(tài)由M變?yōu)镹時,平衡常數(shù)K(M)C.上述反應(yīng)在達(dá)到平衡后,增大壓強,H2的轉(zhuǎn)化率增大
D.升高溫度,平衡常數(shù)K增大
答案:C
解析:該反應(yīng)為可逆反應(yīng),加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反應(yīng)生成NH3,所以反應(yīng)放出的熱量小于92.4 kJ,A項錯誤;從狀態(tài)M到狀態(tài)N,改變的是壓強,溫度未發(fā)生變化,所以平衡常數(shù)不變,B項錯誤;該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體分子數(shù)減小的反應(yīng),增大壓強平衡向正反應(yīng)方向移動,H2的轉(zhuǎn)化率增大,C項正確;升高溫度,平衡逆向移動,K減小,D項錯誤。
7.某條件下合成氨反應(yīng)達(dá)平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)為25%,若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物的體積之比是(　　)。
A. B.
C. D.
答案:A
解析:設(shè)起始時H2為a mol、N2為b mol,平衡時NH3為x mol,則
　　　　　　 3H2　+　 N2 2NH3
起始/mol a b 0
平衡/mol a- b- x
依題意可得:×100%=25%
化簡得:
解得:,即反應(yīng)后減小的氣體的物質(zhì)的量與原反應(yīng)物的總物質(zhì)的量之比為。根據(jù)相同條件下,體積之比等于物質(zhì)的量之比,反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物的體積之比為。
8.在反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡體系中,當(dāng)恒溫恒壓條件下t1時刻分離出NH3時,下列說法正確的是(　　)。
A.t1時刻后的速率變化如圖所示
B.t1時刻后達(dá)到新平衡前Q>K
C.新平衡體系中NH3的含量增大
D.N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大
答案:D
解析:分離出NH3,使體系中NH3的含量減小,則達(dá)到新平衡前Qv逆,平衡向正反應(yīng)方向移動,故N2的平衡轉(zhuǎn)化率增大。
9.2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯(F·Haber)獲得諾貝爾化學(xué)獎100周年。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為N2(g)+H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe催化劑作用下的反應(yīng)歷程如下(*表示吸附態(tài))。
化學(xué)吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*
表面反應(yīng):N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;
NH2*+H*NH3*
脫附:NH3*NH3(g)
其中,N2吸附分解反應(yīng)活化能高、速率小,決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請回答下列問題。
(1)利于提高合成氨平衡產(chǎn)率的條件有　　　　(填字母)。
A.低溫　　B.高溫　　C.低壓　　D.高壓　　E.催化劑
(2)實際生產(chǎn)中,常用Fe作催化劑,控制溫度773 K,壓強3.0×107 Pa,原料中N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8。分析說明原料氣中N2過量的兩個理由:
　　　　　　、　 　 。
(3)關(guān)于合成氨工藝的下列理解,正確的是　　　　(填字母)。
A.合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零
B.當(dāng)溫度、壓強一定時,在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體,有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率
C.基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化,不斷將液氨移去,利于反應(yīng)正向進(jìn)行
D.分離空氣可得N2,通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑“中毒”
答案:(1)AD
(2)原料氣中N2相對易得,適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率　N2的吸附分解是決定反應(yīng)速率的步驟,適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率
(3)ACD
解析:(1)N2(g)+H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng),低溫有利于平衡正向移動,提高平衡產(chǎn)率,A項正確、B項錯誤;低壓平衡逆向移動,不利于提高平衡產(chǎn)率,C項錯誤、D項正確;催化劑只改變反應(yīng)速率,不改變化學(xué)平衡,不能提高平衡產(chǎn)率,E項錯誤。
(3)N2(g)+H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng),該反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零,A項正確;NH3易液化,不斷將液氨移去,有利于反應(yīng)正向進(jìn)行,C項正確;合成氨的反應(yīng)在合成塔中發(fā)生,原料氣中的N2是從空氣中分離得到的,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑“中毒”,D項正確。
能力提升
1.合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關(guān)系如圖所示。據(jù)圖推測下列敘述正確的是(　　)。
A.正反應(yīng)速率:MB.點P處反應(yīng)達(dá)到平衡
C.點Q(t1時刻)和點R(t2時刻)處n(N2)不一樣
D.其他條件不變時,500 ℃下反應(yīng)至t1時刻,n(H2)比圖中Q點的n(H2)大
答案:D
解析:由圖可以看出, N2與H2反應(yīng)生成NH3,點M處比點N處的n(H2)大,點M處的正反應(yīng)速率大,A項錯誤;P點處n(NH3)=n(H2),還沒有達(dá)到平衡,B項錯誤;t1時已經(jīng)達(dá)到平衡,點Q(t1時刻)處和點R(t2時刻)處n(N2)相同,C項錯誤;500 ℃高于400 ℃,升溫,平衡逆向移動,t1時刻n(H2)在500 ℃時比在400 ℃時的大,D項正確。
2.CH4—CO2催化重整可以得到合成氣(CO和H2),有利于緩解溫室效應(yīng),其主要反應(yīng)為CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH=+247 kJ·mol-1,同時存在以下反應(yīng):CH4(g)C(s)+2H2(g)　ΔH=+75 kJ·mol-1(積碳反應(yīng)),CO2(g)+C(s)2CO(g)　ΔH=+172 kJ·mol-1(消碳反應(yīng)),假設(shè)體系溫度恒定。
積碳反應(yīng)會影響催化劑的活性,一定時間內(nèi)積碳量和反應(yīng)溫度的關(guān)系如圖所示。下列說法正確的是(　　)。
A.高壓有利于提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率并減少積碳
B.增大CO2與CH4的物質(zhì)的量之比有助于減少積碳
C.升高溫度,積碳反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K1減小,消碳反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K2增大
D.溫度高于600 ℃,積碳反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率減小,消碳反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率增大,積碳量減少
答案:B
解析:反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)和CH4(g)C(s)+2H2(g)均是反應(yīng)前后氣體分子數(shù)增大的反應(yīng),增大壓強,平衡均逆向移動,可減少積碳量,但CH4的平衡轉(zhuǎn)化率降低,A項錯誤;假設(shè)CH4的物質(zhì)的量不變,增大CO2的物質(zhì)的量,CO2與CH4的物質(zhì)的量之比增大,對于反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),平衡正向移動,CH4的濃度減小,對于積碳反應(yīng)CH4(g)C(s)+2H2(g),由于甲烷濃度減小,平衡逆向移動,碳含量減少,對于消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)2CO(g),平衡正向移動,碳含量減少,綜上分析,增大CO2與CH4的物質(zhì)的量之比,有助于減少積碳,B項正確;平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),積碳反應(yīng)和消碳反應(yīng)都是吸熱反應(yīng),升高溫度,平衡均正向移動,兩個反應(yīng)的平衡常數(shù)都增大,C項錯誤;根據(jù)圖像,溫度高于600 ℃,積碳量減少,但溫度升高,體系中所有反應(yīng)的反應(yīng)速率都增大,D項錯誤。
3.甲醇-水蒸氣重整制氫(SRM)是獲取理想氫能源的有效方法。重整過程發(fā)生的反應(yīng)如下:
反應(yīng)Ⅰ:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)　ΔH1=+49.4 kJ·mol-1
反應(yīng)Ⅱ:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)　ΔH2=+92 kJ·mol-1
在常壓、催化劑下,向密閉容器中充入1 mol CH3OH和1.2 mol H2O的混合氣體,t時刻測得CH3OH轉(zhuǎn)化率及CO、CO2的選擇性隨溫度的變化情況如圖所示(曲線a為CO2的選擇性),下列說法正確的是(　　)。
A.曲線b為CO的選擇性
B.圖中270 ℃時,容器中的H2(g)約為2.744 mol
C.選擇300 ℃作為反應(yīng)溫度比較適宜
D.選用CO2選擇性較高的催化劑有利于提高CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率
答案:B
解析:從圖中可知,270 ℃時,CO2的選擇性為80%,則CO的選擇性為20%,故曲線c為CO的選擇性,A項錯誤;從圖中可知,270 ℃時,甲醇的轉(zhuǎn)化率為98%,CO、CO2的選擇性分別為20%和80%,由反應(yīng)可知容器中H2(g)約為1 mol×98%×(20%×2+80%×3)=2.744 mol,B項正確;從圖中可知260 ℃時甲醇轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大,且二氧化碳的選擇性較大,故選擇260 ℃作為反應(yīng)溫度比較適宜,C項錯誤;催化劑無法改變CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率,D項錯誤。
4.在一定條件下,將10 mol H2和1 mol N2充入恒容密閉容器中,發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并達(dá)到平衡狀態(tài),則H2的轉(zhuǎn)化率可能是(　　)。
①15%　②25%　③35%　④45%
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
答案:A
解析:利用極值法分析。對可逆反應(yīng)而言,任何一種物質(zhì)都不能完全轉(zhuǎn)化。為方便解題,假設(shè)N2完全轉(zhuǎn)化,則消耗H2的物質(zhì)的量n消耗(H2)=3n(N2)=3 mol。事實上,N2不可能完全轉(zhuǎn)化,因而消耗H2的物質(zhì)的量小于3 mol,故H2的最大轉(zhuǎn)化率為α最大(H2)<×100%=30%,①②都有可能。
5.已知工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。改變反應(yīng)條件,會使平衡發(fā)生移動。右圖表示隨條件改變氨氣的百分含量的變化趨勢。
當(dāng)橫坐標(biāo)為壓強時,變化趨勢正確的是　　　(填字母,下同),當(dāng)橫坐標(biāo)為溫度時,變化趨勢正確的是　　　　。
答案:b　a
解析:增大壓強,平衡正向移動,b正確;升高溫度,平衡逆向移動,a正確。
6.CO2可用來生產(chǎn)燃料甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49 kJ·mol-1。在容積為1 L的恒容密閉容器中,充入1 mol CO2和2 mol H2,一定條件下發(fā)生上述反應(yīng),測得CH3OH(g)濃度隨時間的變化如表所示:
時間/min 0 3 5 10 15
濃度/(mol·L-1) 0 0.3 0.45 0.5 0.5
(1)H2的平衡轉(zhuǎn)化率為　　　　　　。該條件下上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K=　　　　　　　　。
(2)下列措施中能使平衡體系中增大且不減小化學(xué)反應(yīng)速率的是　　(填字母)。
A.升高溫度
B.充入He(g),使體系壓強增大
C.再充入1 mol H2
D.將H2O(g)從體系中分離出去
(3)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時,H2的物質(zhì)的量濃度為c1,然后向容器中再加入一定量H2,待反應(yīng)再一次達(dá)到平衡后,H2的物質(zhì)的量濃度為c2,則c1　　(填“>”“<”或“=”)c2。
(4)要提高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率,可以采取的措施是　　　　(填字母)。
A.加入催化劑
B.增大CO2的濃度
C.通入惰性氣體
D.通入H2
E.分離出甲醇
(5)在使用不同催化劑時,相同時間內(nèi)測得CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖所示。
則催化效果最佳的是催化劑　　(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。如果a點已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài),則b點的v正　　(填“>”“<”或“=”)v逆,c點轉(zhuǎn)化率比a點低的原因是　 。
答案:(1)75%　4　(2)C　(3)<　(4)DE　(5)Ⅰ　>　該反應(yīng)放熱,溫度升高,平衡逆向移動
解析:(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù),甲醇平衡時的濃度為0.5 mol·L-1,依據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式可知,達(dá)到平衡時,消耗氫氣的濃度為0.5 mol·L-1×3=1.5 mol·L-1,氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率為×100%=75%,達(dá)到平衡時c(CH3OH)=c(H2O)=0.5 mol·L-1, c(CO2)=1 mol·L-1-0.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,c(H2)=2 mol·L-1-1.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,平衡常數(shù)K==4。
(2)該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡向逆反應(yīng)方向移動,甲醇的物質(zhì)的量減小,二氧化碳的物質(zhì)的量增大,該比值減小,故A不符合題意;恒容狀態(tài)下,充入He(g),體系壓強增大,但各組分濃度不變,化學(xué)平衡不移動,該比值不變,故B不符合題意;再充入1 mol氫氣,濃度增大,反應(yīng)速率增大,增加反應(yīng)物濃度,平衡向正反應(yīng)方向移動,甲醇物質(zhì)的量增大,二氧化碳物質(zhì)的量減小,該比值增大,故C符合題意;將水蒸氣從體系中分離出來,化學(xué)反應(yīng)速率減小,故D不符合題意。
(3)達(dá)到平衡時,再通入氫氣,雖然平衡向正反應(yīng)方向移動,但氫氣濃度比原平衡大,即c1(4)加入催化劑,對化學(xué)平衡移動無影響,即CO2的平衡轉(zhuǎn)化率不變,故A不符合題意;增大CO2的濃度,平衡雖然向正反應(yīng)方向移動,但CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低,故B不符合題意;恒容狀態(tài)下,通入惰性氣體,雖然氣體壓強增大,但各組分濃度不變,化學(xué)平衡不移動,即二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率不變,故C不符合題意;通入氫氣,平衡向正反應(yīng)方向移動,二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率增大,故D符合題意;分離出甲醇,平衡向正反應(yīng)方向移動,二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率增大,故E符合題意。
(5)根據(jù)題圖可知,相同溫度下,催化劑Ⅰ的催化效果最佳;a點達(dá)到平衡,加入催化劑,對化學(xué)平衡移動無影響,b點沒有達(dá)到平衡,二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大,說明反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行,即v正>v逆;a點達(dá)到平衡,c點也是平衡點,但c點溫度高于a點,該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡向逆反應(yīng)方向移動,二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低。
7.下表的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強下,平衡混合物中NH3含量(體積分?jǐn)?shù))的變化情況。[投料V(N2)∶V(H2)=1∶3]
氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 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
(1)比較200 ℃和300 ℃時的數(shù)據(jù),可判斷升高溫度,平衡向　　　　(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動,正反應(yīng)方向為　　　　(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。
(2)根據(jù)平衡移動原理,合成氨適宜的條件是　　　　。
A.高溫高壓 B.高溫低壓
C.低溫高壓 D.低溫低壓
(3)500 ℃和30 MPa時N2的轉(zhuǎn)化率為　 。
(4)實際工業(yè)生產(chǎn)氨時,考慮濃度對化學(xué)平衡的影響,及500 ℃對反應(yīng)速率的影響,還采取了一些措施。請分別寫出其中的一個措施: 　。
答案:(1)逆反應(yīng)　放熱
(2)C　
(3)41.77%
(4)加過量N2或及時從平衡體系中移走NH3,選擇合適的催化劑(如鐵觸媒)
解析:(1)表中數(shù)據(jù)表明:恒壓時,升高溫度,NH3的體積分?jǐn)?shù)減小,說明平衡逆向移動,則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
(2)由反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,合成氨適宜條件是低溫、高壓,此時平衡正向移動,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率大。
(3)假設(shè)N2的用量為1 mol,H2的用量為3 mol,N2的消耗量為x mol,則:
　　　　　　 N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g)
初始量/mol 1 3 0
轉(zhuǎn)化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
得:×100%=26.4%
x≈0.417 7
α(N2)=×100%=41.77%。
(4)增大反應(yīng)物濃度或減小產(chǎn)物濃度有利于平衡正向移動;低溫時雖然有利于化學(xué)反應(yīng)正向進(jìn)行,但速率較小,為增大化學(xué)反應(yīng)速率,500 ℃時加入合適的催化劑 (如鐵觸媒),既增大化學(xué)反應(yīng)速率,又使鐵的催化劑性能最好。
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第四節(jié)　化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
目 標(biāo) 素 養(yǎng)
1.認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。
2.知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程,對調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。
3.能運用溫度、濃度、壓強和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實驗室中的實際問題。
4.能針對合成氨典型案例,從限度和速率等角度綜合分析化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件的選擇和優(yōu)化。
知 識 概 覽
一、合成氨反應(yīng)的理論分析
1.合成氨反應(yīng)的反應(yīng)特點。
合成氨反應(yīng):N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。已知298 K時,ΔH=
-92.4 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·mol-1·K-1。
(1)可逆性:反應(yīng)為可逆反應(yīng)。
(2)體積變化:正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。
(3)焓變:ΔH < 0,熵變ΔS < 0。
(4)自發(fā)性:常溫(298 K)下,ΔH-TΔS < 0,能自發(fā)進(jìn)行。
2.提高合成氨反應(yīng)速率和提高平衡轉(zhuǎn)化率的條件比較。
3.在一定溫度和壓強下,反應(yīng)物N2和H2的物質(zhì)的量之比為　1∶3　時平衡混合氣中氨的含量最高。為提高原料的利用率,可將未轉(zhuǎn)化的N2和H2分離后循環(huán)使用。
微判斷1 (1)合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)放熱,降低溫度有利于反應(yīng)正向進(jìn)行,所以溫度越低越好。(　　)
(2)合成氨反應(yīng)中使用催化劑可增大反應(yīng)速率,提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)率。(　　)
(3)采取最合適的生產(chǎn)條件,可使合成氨反應(yīng)中原料的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%。(　　)
(4)合成氨工業(yè)將分離氨后的原料氣循環(huán)使用可提高原料的利用率。(　　)
×
√
×
√
二、工業(yè)合成氨的適宜條件的選擇
1.選擇原則。
(1)盡量增大反應(yīng)物的　轉(zhuǎn)化率　,充分利用原料。
(2)選擇較大的　化學(xué)反應(yīng)速率　,提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量。
(3)考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。
2.工業(yè)合成氨反應(yīng)的適宜條件。
(1)壓強。
①適宜條件:　10 MPa~30 MPa　。
②理論依據(jù):壓強越大,需要的動力　越大　,對材料的強度和設(shè)備的制造要求就越高,這會大大增加生產(chǎn)投資,降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。
(2)溫度。
①適宜條件:　400~500 ℃　。
②理論依據(jù):該溫度下催化劑的活性　最大　,反應(yīng)速率比較大,氨的含量也相對較高。
(3)催化劑。
適宜條件:以　鐵　為主體的多成分催化劑(又稱鐵觸媒)。
(4)濃度。
①適宜條件:采用迅速冷卻的方法,使氣態(tài)氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去;原料氣循環(huán)使用,及時補充N2和H2。
②理論依據(jù):減小生成物濃度,提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。
三、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控
影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的因素有兩個方面,一是參加反應(yīng)的物質(zhì)的　組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)　等本身因素,二是　溫度、壓強、濃度、催化劑　等反應(yīng)條件。化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控,就是通過改變　反應(yīng)條件　使一個可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行,綜合考慮影響　化學(xué)反應(yīng)速率　和　化學(xué)平衡　的因素。
微判斷2(1)在合成氨中,為增加H2的轉(zhuǎn)化率,充入的N2越多越好。(　　)
(2)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是ΔH<0、ΔS<0的反應(yīng),在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行。(　　)
(3)使氣態(tài)氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去,可提高原料的利用率。(　　)
(4)在工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化時,只考慮經(jīng)濟(jì)性就行,不用考慮環(huán)保。
(　　)
×
×
√
×
(5)合成氨反應(yīng)選擇在400~500 ℃進(jìn)行的重要原因是催化劑在500 ℃左右時的活性最大。(　　)
√
微訓(xùn)練 某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng):2A(g)+B(g) M(g)　ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說法正確的是(　　)。
A.工業(yè)上合成M時,一定采用高壓條件,因為高壓有利于M的生成
B.若物質(zhì)B廉價易得,工業(yè)上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率
C.工業(yè)上一般采用較高溫度合成M,因溫度越高,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高
D.工業(yè)生產(chǎn)中常采用催化劑,因為生產(chǎn)中使用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量
答案:D
解析:加入過量B只能提高A的轉(zhuǎn)化率,B的轉(zhuǎn)化率降低;溫度升高,平衡逆向移動,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低;使用催化劑可降低反應(yīng)的活化能,提高反應(yīng)速率。
工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路
問題探究
在工業(yè)生產(chǎn)和生活中,人們?yōu)榱诉_(dá)到某一目的而采取了一些有效的措施。例如,為了使?fàn)t火燃燒更旺,常常鼓入適量的空氣;為了更好地保存食物,常采用冷藏或抽真空的方法;工業(yè)合成氨需要選擇適當(dāng)?shù)臏囟取簭姟⒋呋瘎┑纫蕴岣呱a(chǎn)效率。
1.為什么鼓入適量的空氣會使?fàn)t火燃燒更旺
提示:增大氧氣的濃度,增大反應(yīng)速率。
2.工業(yè)合成氨需要從哪些方面考慮選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件以提高生產(chǎn)效率
提示:從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡角度考慮,同時兼顧設(shè)備、安全、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等方面。
3.工業(yè)合成氨中如何調(diào)整反應(yīng)物濃度以提高氨氣產(chǎn)量
提示:合成氨反應(yīng)中,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率并不高,如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔是很不經(jīng)濟(jì)的,應(yīng)將分離NH3后的未轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行循環(huán)使用,并及時補充N2和H2,使反應(yīng)物保持一定的濃度,有利于合成氨反應(yīng)的進(jìn)行。
歸納總結(jié)
1.分析化學(xué)反應(yīng)的特點:從可逆性、反應(yīng)前后氣體體積的變化、焓變?nèi)齻€角度分析。
2.根據(jù)反應(yīng)特點具體分析外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響。
3.從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的角度進(jìn)行綜合分析,再充分考慮實際情況,選出適宜的外界條件。
外界條件 有利于增大反應(yīng)速率的措施 有利于平衡正向移動的措施 綜合分析結(jié)果
濃度 增大反應(yīng)物濃度 增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度 不斷補充反應(yīng)物,及時分離出生成物
壓強 增大壓強(有氣體參加) 反應(yīng)后氣體體積減小 增大壓強 設(shè)備條件允許的前提下,盡量采取高壓
反應(yīng)后氣體體積增大 減小壓強 兼顧速率和平衡,選取適宜的壓強
外界
條件 有利于增大反應(yīng)速率的措施 有利于平衡正向移動的措施 綜合分析結(jié)果
溫度 升高溫度 ΔH<0 降低
溫度 兼顧速率和平衡,考慮催化劑的適宜溫度
ΔH>0 升高
溫度 在設(shè)備條件允許的前提下,盡量采取高溫并考慮催化劑的適宜溫度
催化劑 加合適的催化劑 無影響 加合適的催化劑,考慮催化劑活性與溫度關(guān)系
典例剖析
【例】 下列關(guān)于工業(yè)合成氨的敘述中,錯誤的是(　　)。
A.在動力、設(shè)備、材料允許的情況下,反應(yīng)盡可能在高壓下進(jìn)行
B.溫度越高越有利于工業(yè)合成氨
C.在工業(yè)合成氨中N2、H2的循環(huán)利用可提高其利用率,降低成本
D.及時從反應(yīng)體系中分離出氨氣有利于平衡向正反應(yīng)方向
移動
B
解析:合成氨的反應(yīng)為放熱反應(yīng),溫度越高,NH3的產(chǎn)率越低,且溫度太高會影響催化劑的催化效果。
【拓展延伸】 合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后,加入N2,當(dāng)反應(yīng)重新達(dá)到平衡時,NH3的濃度比原平衡的大,N2的濃度比原平衡的小,對嗎
答案:不對。加入N2,平衡正向移動,反應(yīng)重新達(dá)到平衡后,NH3的濃度比原平衡的大,N2的濃度也比原平衡的大。
方法歸納 選擇化工生產(chǎn)適宜條件的分析角度
分析角度 原則要求
從化學(xué)反應(yīng)速率分析 既不能過快,又不能太慢
從化學(xué)平衡移動分析 既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性,又要注意二者影響的矛盾性
從原料的利用率分析 增加易得廉價原料,提高難得高價原料的利用率,從而降低生產(chǎn)成本
從實際生產(chǎn)能力分析 如設(shè)備承受高溫、高壓的能力等
從催化劑的使用活性分析 注意催化劑的活性對溫度的限制
學(xué)以致用
1.有平衡體系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。工業(yè)上為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量,應(yīng)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
答案:B
解析:該反應(yīng)是一個氣體體積減小的放熱反應(yīng),為了增加甲醇的產(chǎn)量,需使平衡正向移動,理論上可采用低溫、高壓的方式,但在實際生產(chǎn)中還需考慮反應(yīng)速率、設(shè)備承受的壓力及催化劑的活性等因素的影響。
2.在硫酸工業(yè)中,通過下列反應(yīng)將SO2氧化成SO3:
2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH=-196.6 kJ·mol-1。(已知:催化劑是V2O5,在400~500 ℃時催化劑活性最高)下表列出了在不同溫度和壓強下,反應(yīng)達(dá)到平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)從理論上分析,為了使二氧化硫盡可能多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫,應(yīng)選擇的條件是　　　　　　　　　。
(2)在實際生產(chǎn)中,選定的溫度為400~500 ℃,原因是 　。
(3)在實際生產(chǎn)中,采用的壓強為常壓,原因是 　。
(4)在實際生產(chǎn)中,通入過量的空氣,原因是 　 。
(5)尾氣中SO2必須回收,原因是 　 。
答案:(1)450 ℃、10 MPa　(2)在此溫度下,催化劑活性最高。溫度較低,會使反應(yīng)速率減小,達(dá)到平衡所需時間變長;溫度較高,SO2轉(zhuǎn)化率會降低　(3)在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5%),若采用高壓,平衡能向右移動,但效果并不明顯,且采用高壓時會增大對設(shè)備的要求而增大生產(chǎn)成本　(4)增大反應(yīng)物O2的濃度,有利于提高SO2的轉(zhuǎn)化率　(5)防止污染環(huán)境;循環(huán)利用,提高原料的利用率(合理即可)
1.下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中正確的是(　　)。
A.鐵作催化劑可增大反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動
B.升高溫度可以增大反應(yīng)速率,且有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動
C.增大壓強能縮短到達(dá)平衡狀態(tài)所用的時間
D.合成氨采用的壓強是1×107~3×107 Pa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最高
答案:C
解析:催化劑可以改變反應(yīng)速率,但不能使平衡移動,只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時間,A項錯誤;升高溫度可以增大反應(yīng)速率,但合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng),因此升高溫度不利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動,B項錯誤;增大壓強,反應(yīng)速率增大,C項正確;催化劑的活性取決于溫度的高低,而非壓強的大小,D項錯誤。
2.工業(yè)合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。下列關(guān)于反應(yīng)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的圖像中,錯誤的是(　　)。
答案:C
解析:合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度,正、逆反應(yīng)速率都增大,但逆反應(yīng)速率增大的程度大,A項正確;在T1時NH3的體積分?jǐn)?shù)最大,達(dá)到平衡,再升高溫度,平衡逆向移動,NH3的體積分?jǐn)?shù)減小,B項正確;達(dá)到平衡后,溫度越低,NH3的體積分?jǐn)?shù)越大,C項錯誤;增大壓強,平衡向右移動,NH3的體積分?jǐn)?shù)增大,D項正確。
3.為了進(jìn)一步提高合成氨的生產(chǎn)效率,科研中具有開發(fā)價值的是(　　)。
A.研制高溫下活性較大的催化劑
B.尋求NH3的新來源
C.研制低溫下活性較大的催化劑
D.研制耐高溫高壓的新型材料建造合成塔
答案:C
解析:合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng),降低溫度有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率。研制低溫下活性大的催化劑可改善工藝流程,降低成本,提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。
4.煤的液化可獲得乙醇:2CO(g)+4H2(g) C2H5OH(l)+H2O(l)　ΔH=-1 709.2 kJ·mol-1。下列說法正確的是(　　)。
A.反應(yīng)物的總能量小于生成物的總能量
B.升高溫度可增大活化分子的數(shù)目及有效碰撞頻率,因而溫度越高越利于獲得乙醇
C.使用合適的催化劑、增大壓強均有利于提高原料的平衡轉(zhuǎn)化率
D.在絕熱密閉容器中進(jìn)行時,容器中溫度不再改變則說明已達(dá)平衡狀態(tài)
D
解析:正反應(yīng)為放熱反應(yīng),反應(yīng)物總能量大于生成物總能量,A項錯誤;正反應(yīng)為放熱反應(yīng),則升高溫度,平衡逆向移動,不利于獲得乙醇,B項錯誤;催化劑不能使平衡移動,不能提高原料的轉(zhuǎn)化率,C項錯誤;在絕熱密閉容器中進(jìn)行時,容器中溫度不變,說明正、逆反應(yīng)速率相等,達(dá)到平衡狀態(tài),D項正確。
5.Ⅰ.合成氨工業(yè)中,原料氣(N2、H2及少量CO、NH3的混合氣)在進(jìn)入合成塔前常用醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來吸收原料氣中的CO,其反應(yīng)是[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac·CO(ΔH<0)。
(1)必須除去原料氣中CO的原因為 　。
(2)醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液吸收CO的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是　 。
(3)吸收CO后的溶液經(jīng)過適當(dāng)處理又可再生,恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用。醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液再生的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是　　　　　　　　　　。
Ⅱ.圖1表示接觸室中催化劑效率隨溫度變化圖像,圖2表示SO2的轉(zhuǎn)化率α(SO2)隨溫度T及壓強p的變化圖像。你認(rèn)為接觸室中最合適的溫度和壓強是　　　　　　　　　　　。
圖1
圖2
答案:Ⅰ.(1)防止合成塔中的催化劑中毒　
(2)低溫、高壓　
(3)高溫、低壓
Ⅱ.450 ℃(或400~500 ℃)、101 kPa
解析:Ⅰ.(2)該反應(yīng)為放熱反應(yīng),且氣體分子數(shù)減少,為控制條件讓反應(yīng)正向移動,故適宜條件為低溫、高壓。(3)要實現(xiàn)醋酸二氨合銅(Ⅰ)溶液再生,使平衡逆向移動即可,逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng),且氣體分子數(shù)增大,故適宜條件為高溫、低壓。Ⅱ.400~500 ℃、101 kPa時,二氧化硫的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高,再增大壓強,會增大成本,但二氧化硫轉(zhuǎn)化率提高幅度不大,該溫度下反應(yīng)速率較快、催化劑活性最好。

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