资源简介

第四节　化学反应的调控
[核心素养发展目标]　
1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，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.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。
一、合成氨条件的理解
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·
mol－1·K－1。
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS________0，________自发进行。
(2)可逆性：反应为________反应。
(3)熵变：ΔS______0，正反应是气体体积________的反应。
(4)焓变：ΔH______0，正反应是________反应。
2．原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强
温度
催化剂
浓度 ______反应物浓度 ______反应物浓度，________生成物浓度
3.数据分析
根据课本表2 2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是________温度、________压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是________温度、________压强。二者在________这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行(　　)
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好(　　)
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(　　)
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(　　)
(5)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率(　　)
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的(　　)
1．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
2．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是(　　)
A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响
D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果
二、工业合成氨的适宜条件
1．合成氨反应条件的选择原则
工业生产中，必须从____________和____________两个角度选择合成氨的适宜条件。
(1)尽量增大反应物的________，充分利用原料。
(2)选择较快的________________，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件。
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件：________________。
②选择依据：压强越大，需要的动力______，对材料的强度和设备的制造要求就越高。
(2)温度
①适宜条件：________________。
②选择依据：该温度下催化剂的活性______，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。
(3)催化剂
适宜条件：以______为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
(4)浓度
①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8混合，适时分离出________。
②选择依据：适当提高________的浓度，来提高H2的转化率。
(5)其他
兼顾环境保护和社会效益，为了提高原料的________，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。
3．合成氨的生产流程
(1)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率(　　)
(2)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(　　)
(3)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大(　　)
在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是＿＿＿＿＿
__________________________。
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
________________________________________________________________________。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是________________________________。
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是__________________________________
________________________________________________________________________。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是____________________________________________
________________________________________________________________________。
1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是(　　)
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
2．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＜0。工业上为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是(　　)
A．高温，高压
B．适宜温度，高压，催化剂
C．低温，低压
D．高温，高压，催化剂
3．Ⅰ.合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO ，其反应是[Cu(NH3)3]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO(ΔH<0)。
(1)必须除去原料气中CO的原因为_______________________________________________。
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收CO的生产适宜条件应是________________。
(3)吸收CO后的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。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是________________________________________。
Ⅱ.图1表示接触室中催化剂随温度变化图像，图2表示SO2的转化率α(SO2)随温度T及压强p的变化图像。你认为接触室中最合适的温度和压强是________________。
第四节　化学反应的调控
[核心素养发展目标]　1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，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.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。
一、合成氨条件的理解
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·
mol－1·K－1。
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
(2)可逆性：反应为可逆反应。
(3)熵变：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。
(4)焓变：ΔH<0，正反应是放热反应。
2．原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析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，请填写下表。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 增大压强 增大压强
温度 升高温度 降低温度
催化剂 使用 无影响
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度
3.数据分析
根据课本表2-2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行(　　)
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好(　　)
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(　　)
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(　　)
(5)增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，可以提高氨的产率(　　)
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×
1．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
答案　D
解析　A项，在合成氨工业中应选择一个合适的投料比[n(N2)∶n(H2)]，并不是充入的N2越多越有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下该反应能自发进行。
2．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述正确的是(　　)
A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响
D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果
答案　C
解析　对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动；施加高压既能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。
二、工业合成氨的适宜条件
1．合成氨反应条件的选择原则
工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件。
(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。
(2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件。
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件：10～30 MPa。
②选择依据：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就越高。
(2)温度
①适宜条件：400～500 ℃。
②选择依据：该温度下催化剂的活性最大，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。
(3)催化剂
适宜条件：以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
(4)浓度
①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8混合，适时分离出氨气。
②选择依据：适当提高N2的浓度，来提高H2的转化率。
(5)其他
兼顾环境保护和社会效益，为了提高原料的利用率，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。
3．合成氨的生产流程
(1)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率(　　)
(2)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(　　)
(3)合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√
在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化剂是V2O5，在400～500 ℃时催化剂效果最好)下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
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)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫，应选择的条件是_________
_______________________________________________________________________________。
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是________________________________
______________________________________________________________________________。
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是_______________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是_________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(5)尾气中SO2必须回收，原因是___________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案　(1)450 ℃、10 MPa　(2)在此温度下，催化剂活性最高。温度较低，会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长；温度较高，SO2的转化率会降低　(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本　(4)增大反应物O2的浓度，有利于提高SO2的转化率　(5)防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率(合理即可)
选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压的能力等
从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制
1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是(　　)
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
答案　B
解析　使用催化剂，对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符题意；合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应，故加压有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700 K左右是考虑催化剂的活性，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。
2．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＜0。工业上为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是(　　)
A．高温，高压 B．适宜温度，高压，催化剂
C．低温，低压 D．高温，高压，催化剂
答案　B
解析　该反应是一个气体体积减小的放热反应，为了增加甲醇的产量，需使平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
3．Ⅰ.合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu(NH3)3]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO(ΔH<0)。
(1)必须除去原料气中CO的原因为__________________________________________。
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收CO的生产适宜条件应是________________。
(3)吸收CO后的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。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是________________。
Ⅱ.图1表示接触室中催化剂随温度变化图像，图2表示SO2的转化率α(SO2)随温度T及压强p的变化图像。你认为接触室中最合适的温度和压强是________________。
答案　(1)防止合成塔中的催化剂中毒　(2)低温、高压　(3)高温、低压
Ⅱ.450℃(或400℃～500 ℃)、101 kPa
解析　(2)要使生产适宜，即控制条件让反应正向移动，该反应为放热反应，且气体分子数减少，故适宜条件为低温、高压。(3)要实现醋酸二氨合铜溶液再生，即使平衡逆向移动即可，该反应为放热反应，且气体分子数减少，故适宜条件为高温、低压。Ⅱ. 400 ℃～500 ℃、101 kPa时二氧化硫的转化率已经很高，再增大压强，会增大成本，二氧化硫转化率提高不大，该温度下反应速率较快、催化剂活性最好。

展开更多......

收起↑