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第2课时 化学反应的调控
习题课
第二章 第四节
4、合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应　
ΔH<0
673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法中
正确的是 (　　)
A、P点处反应达到平衡
B、Q点(t1时刻)和E点(t2时刻)处n(N2)不同
C、其他条件不变，773 K下反应至t1时刻
n(H2)比图中的Q点的值要大
D、M点的正反应速率比 N点的正反应速率小
C
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4. 解析：A. P点是氢气和氨的物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨的量还在增加，故P点没有达到平衡，A项错误；
B. t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故Q、E两点氮气的物质的量相等，B项错误；
C. 773 K>673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；
D. 反应达到平衡前，M点反应物浓度大于N点反应物浓度，因此M点的正反应速率比N点的正反应速率大，D项错误。
6、工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯
在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量的CH3OH和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。
下列说法错误的是 (　　)
A、增大压强，甲醇转化率增大
B、B点反应速率v正=v逆
C、平衡常数:K(75 ℃)>K(85 ℃);反应速率:vBD、生产时反应温度控制在80~85 ℃为宜
B
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解析：A. 该反应的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的转化率增大，故A项正确；
B. 由题图可知，随着温度的升高，CO的转化率先增大后减小，在相同时间内，约83 ℃时反应达到平衡，B点时反应没有达到平衡，仍向正反应方向进行，则v正>v逆，故B项错误；
C. 达到平衡后，升高温度，CO转化率降低，平衡逆向移动，平衡常数减小，则K(75 ℃)>K(85 ℃)，温度越高反应速率越大，因此vBD. 由题图可知，在80~85 ℃时，CO的转化率较大，且反应速率较大，因此生产时反应温度控制在80~85 ℃为宜，故D项正确。
8.(2022·江苏泰州高二期末)用ZSM-5分子筛催化1-丁烯裂解制丙烯的反应体系中，主要发生的反应如下。
反应Ⅰ：　 ΔH=+579 kJ/mol
反应Ⅱ： 　ΔH=+283 kJ/mol
已知催化剂ZSM-5分子筛的筛孔径越小，越有利于生成碳原子数少的产物。在0.5 MPa下，上述体系平衡时丁烯、丙烯、乙烯的质量分数与温度的关系如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A、图中曲线x表示丁烯的质量分数随温度的变化
B、在0.5 MPa下，该工艺选择的适宜温度为300 ℃
C、 的ΔH=+296 kJ/mol
D、高于500 ℃，丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在ZSM-5分子筛的筛孔上所致
D
解析：A. 由图可知，曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系，曲线y为丁烯的质量分数与温度的关系，300 ℃时，乙烯的质量分数最小，丙烯的质量分数最大，当温度高于500 ℃时，催化剂的活性降低导致丙烯质量分数降低。由分析可知，曲线x表示生成物乙烯的质量分数与温度的关系，故A项错误；
B. 由分析可知，在0.5 MPa下，500 ℃时，丙烯的质量分数最大，则生成丙烯的适宜温度为500 ℃，故B项错误；
C. 由盖斯定律可知，得反应 ，则ΔH==+148 kJ/mol，故C项错误；因为催化剂 ZSM-5 分子筛的筛孔径越小，越有利于生成碳原子数少的产物。
D. 当温度高于500 ℃时，丙烯质量分数降低可能是因为裂解产生的碳颗粒附着在 ZSM-5 分子筛的筛孔上所致，故D项正确。
9、298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图如图所示，据图回答下列问题。
(1)若反应中生成2 mol氨，则反应　　　(填“吸热”或“放热”)　　kJ。
(2)图中曲线　　(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能增大反应速率的原理是 　 　
。
放热
92
b
催化剂改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能
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(3)合成氨反应中平衡混合物中氨的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线c对应的温度为500 ℃，则曲线d对应的温度可能是　　　(填字母)
A.600 ℃ B.550 ℃ C.500 ℃ D.450 ℃
D
解析： (1)由图中能量状态可知，N2与H2具有的总能量高于NH3所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应 ，每生成2 mol NH3放出(600-508) kJ=92 kJ热量。
(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而增大了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。
(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线d对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线c对应的NH3的体积分数，所以曲线d对应的温度低于曲线c对应的温度。
①表中x=　　　　　　；前2 min内CH4的反应速为　 　　　　。
②反应在3~4 min时，氢气的物质的量增多的原因可能是　　　　(填字母)。
A、充入水蒸气 B、升高温度
C、使用催化剂 D、充入氢气
(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生的反应为
ΔH>0
一定温度下,在容积为1 L的密闭容器中发生上述反应,各物质的物质的量浓度变化如下表:
B
0.05 mol/(L· min)
0.11
(4)①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)=v(H2)=×=0.05 mol/(L·min)。由表分析2~
3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为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时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应大于0.2 mol/L；若升高温度，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生成物浓度均增加，而且变化量正好等于化学计量数之比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入H2，平衡向左移动，CH4、H2O的浓度均大于3 min 时的浓度。
10、科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强 1.0×105 Pa、反应时间3 h)。
相应的热化学方程式为 　 ΔH=+765.2 kJ/mol
回答下列问题。
(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率较小。请提出可增大其反应速率且增大NH3生成量的建议:　 。
升温、增大N2浓度
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(2)工业合成氨的反应为 。设在容积为 2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)与1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为 。则:
①该条件下N2的平衡转化率为　 。
②该条件下反应 的平衡常数为　 　　。
③根据合成氨反应的特点分析，当前比较有前途的研究发展方向
是　　　　(填字母)。
A.研制耐高压的合成塔
B.采用超大规模的工业生产
C.研制耐低温复合催化剂
D.探索不用H2与N2合成氨的新途径
66.7%
5.0×10-3
C
解析: (2)①设反应过程中消耗x mol N2(g)。
起始量/mol　　　0.60　　1.60　　　　 0
变化量/mol　　　 x　　 　3x　　　　 2x
平衡量/mol　　 0.60-x　 1.60-3x　　 2x
平衡时反应体系总物质的量=[(0.60-x)+(1.60-3x)+2x] mol=(2.20-2x) mol，
NH3(g)的物质的量分数为= ，解得x=0.40，
N2的平衡转化率为 ×100%≈66.7%。
②设此时反应的平衡常数为K。
平衡时，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．我国科研人员研制了Ti H Fe双温区催化剂 (Ti H区域和Fe区域的温度差可超过100℃)利用该催化剂合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是( )
A．该历程中能量变化最大的是2.46eV，是氮
分子中氮氮三键的断裂过程
B．在高温区加快了反应速率，低温区提高了氨的产率
C．③为N原子由Fe区域向Ti H区域的传递过程
D．①③在高温区发生，②④⑤在低温区发生
B
能力提升----反应历程
1.解析：A．该历程中能量变化最大的是2.46eV，是氮分子中吸附过程，氮氮三键的断裂过程是历程②，吸热 1.87eV ( 2.46eV)=0.59eV，故A错误；
B．一般而言，升高温度可提高反应速率，则在高温区加快了反应速率，由于合成氨反应是放热反应，因此低温区提高了氨的产率，故B正确；
C．③为Ti H Fe吸附N的历程，④为N原子由Fe区域向Ti H区域的传递过程，故C错误
D．①是催化剂吸附氮气的历程，②是过渡态的历程，③为氮气解离为氮原子的历程，都为吸热反应，因此在高温区发生，④⑤为了增大平衡产率，需要在低温区进行，故D错误。综上所述，答案为B。
解题思路
反应历程：涉及多步反应
(1)单个反应步骤的含义
(2)单个反应步骤的能量变化值
(3)决速步反应：决定一个反应速率快慢的关键步骤，即活化能最高的反应步骤
2．羰基硫(COS)是一种粮食熏蒸剂，能防止某些害虫和真菌的危害。在一定条件下，将CO与H2S以体积比1：2置于某刚性密闭容器中发生下列反应：CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)。下列说法正确的是（ ）
A．升高温度，H2S的浓度增大，表明该反应是吸热反应
B．通入CO后，正反应速率逐渐增大，逆反应速率不变
C．COS与H2的体积比保持不变时，说明反应达到平衡状态
D．向反应器中再通入CO，能使H2S的转化率增大
D
能力提升----速率与转化率
2.解析：A．升高温度，H2S的浓度增大，说明平衡逆向移动。升高温度，平衡向吸热反应方向移动，所以表明该反应的正反应是放热反应，故A错误；
B．通入CO后，反应物浓度增大，正反应速率逐渐增大，平衡正向移动，生成物浓度随之增大，逆反应速率也随之增大，故B错误；
C．COS与H2都是生成物，该反应起始时加入的是反应物，则生成物COS和H2的体积比始终为1：1，所以COS和H2体积比保持不变时，不能说明反应达到平衡状态，故C错误；
D．向反应器中再通入CO，平衡正向移动，转化的H2S增多，则H2S的转化率增大，故D正确；
A
3．在恒容密闭容器中通入A、B两种气体，在一定条件下发生反应：
达到平衡后，改变一个条件(x)，下列量(y)一定符合图中曲线的是（ ）
A．A B．B C．C D．D
能力提升----速率与转化率
3.解析：A．恒容下再加气体A，A的浓度增大，平衡正移，B的转化率增大，A正确
B．催化剂只改变反应速率，不影响平衡移动，与图象不符，B错误；
C．该反应是一个反应后气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正移，混合气体的总物质的量减小，与图象不符，C错误；
D．该正反应为吸热反应，升高温度，平衡正移，混合气体的总物质的量减小，与图象不符，D错误；
D
4．合成氨反应为： 下列说法正确的是( )
A．合成氨反应在任何温度下都能自发
B．1molN2与过量H2充分反应放热92.4kJ
C．合成氨实际生产中选择高压和低温
D．将氨液化分离，可促进平衡正移及循环利用氮气和氢气
能力提升----速率与转化率
4.解析：A．合成氨时放热且熵减的反应，根据 G= H-T S＜0能自发可知，该反应低温下能自发，A错误；
B．该反应为可逆反应，不能完全进行，因此1molN2与过量H2充分反应放热小于92.4kJ，B错误；
C．为了加快反应速率，实际生产中选择高压(10-20MPa)和高温(400℃-500℃)，C错误；
D．氨气易液化，液化分离后生成物减少，平衡正向移动，没有液化的H2和N2可以继续放入反应器中反应，循环利用，D正确；
解题思路
速率和转化率
(1)了解反应本身特点
(2)温度、压强、浓度、催化剂对反应的影响
(3)速率计算，转化率计算(注意单位)
(4)判断平衡状态(如某个条件不变，则证明处于平衡状态)
D
5．以Fe3O4为原料炼铁，主要发生如下反应：
反应Ⅰ：
反应Ⅱ：
将一定体积CO通入装有Fe3O4粉末的反应器，其它条件不变，反应达平衡，测得CO的体积分数随温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．Q2＜0
B．反应温度越高，Fe3O4主要还原产物中铁元素的价态越低
C．在恒温、恒容的反应器中，当压强保持不变时，反应Ⅰ、Ⅱ均达到平衡状态
D．温度高于1040℃时，反应I的化学平衡常数K＞4
能力提升----平衡常数
5．解析：A．反应Ⅰ是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，CO体积分数减小，而图中温度在570℃以下，CO的体积分数增大，说明反应Ⅱ逆向移动，则反应Ⅱ是放热反应即Q2＞0，故A错误；B．根据图中信息可知，温度在570℃以上，CO的体积分数随温度升高不断减小，说明以反应Ⅰ为主，反应温度越高，Fe3O4主要还原产物中铁元素的价态越高，故B错误；C．反应Ⅰ、Ⅱ都是等体积反应，因此在恒温、恒容的反应器中，当压强保持不变时，反应Ⅰ、Ⅱ不能说明达到平衡状态，故C错误；D．由图中信息可知，在1040℃时，发生的反应为反应Ⅰ，一氧化碳体积分数为20%，则反应的平衡常数，反应Ⅰ是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，平衡常数增大，当温度高于1040℃时，因此反应I的化学平衡常数K＞4，故D正确。
解题思路
平衡常数
(1)了解反应本身特点
(2)三段式(注意单位，不能忽视体积)
(3)改变条件对平衡常数的影响
能
高
低
“热Fe”高于体系温度，N2在“热Fe”表面断裂，有利于提高合成氨反应速率
“冷Ti”低于体系温度，氨气在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡产率
＜
＞
1
减小
调控的考虑因素
是否影响平衡：转化率、产率、产物占比
是否影响速率：生产效率、反应接触时间受限
是否节约成本：特殊工艺设计，部分条件选择
化学反应的调控
影响化学反应进行的因素
本身因素
反应条件
组成、结构和性质
温度
压强
浓度
催化剂
化学反应的调控
综合分析影响
速率与平衡的因素
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