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第二章　化学反应速率与化学平衡
第四节　化学反应的调控
【学习目标】　1.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.知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意 义。3.针对典型案例，能从反应限度、反应速率等角度对化学反应和化工生产条件进 行综合分析。
一、合成氨条件的理解
1. 合成氨反应的特点
（1）可逆性：反应为 反应。
（2）体积变化：正反应是气体体积 的反应。
（3）焓变ΔH 0，熵变ΔS 0。
（4）自发性：298 K时，ΔH－TΔS＜0，能自发进行。
可逆　
减小　
＜　
＜　
2. 增大合成氨反应速率和提高平衡转化率的条件比较
条件 增大反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强 高压 高压 高压
温度 高温 低温 兼顾反应速率和平衡转化率，且 考虑催化剂活性
催化剂 使用 — 使用
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度， 降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断将生成 物及时分离出来
3. 数据分析
升高　
增大　
降低　
增大　
温
度　
【判断】
×
√
×
×
A. 合成氨工业温度选择为700 K左右，主要是为了提高NH3产率
B. 使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响
C. 合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率
D. 合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度
C
解析：合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，主要是为了加快反应 速率，A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强，平衡正向移动，催化剂对 平衡无影响，B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提 高N2、H2的转化率，C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化 率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气 的浓度，D错误。
A. 提高分离技术
B. 研制耐高压的合成塔
C. 研制低温催化剂
D. 探索不用N2和H2合成氨的新途径
解析：由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体 积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为500 ℃左 右，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
C
二、化学反应的调控
1. 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 注意对二者影响的矛盾性
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
2. 合成氨生产条件的理论分析
外界因素 理论分析
压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的 钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类 型，一般采用
温度 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制 反应温度在 左右（且在此温度时催化剂的活性最大）
催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择 作催 化剂
浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为 的投料比，并且 及时将 从反应混合物中分离出去
其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用
高压　
700 K　
铁　
1∶2.8　
氨气　
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
500 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
C
A. 通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率
B. 尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率
C. 在实际生产中，应选择的条件是450 ℃，10 MPa
D. 在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳
解析：容器为恒容密闭容器，充入适当过量的氧气，氧气的浓度增大，化学反应速率 加快，平衡向正反应方向移动，SO2转化率增大，A正确；SO2会造成酸雨，污染环 境，尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，B正确； 根据表格数据可知，450 ℃时二氧化硫的转化率比500 ℃时的高，虽然10 MPa时转化 率增大，但对设备要求高，故应选择450 ℃，5 MPa，C错误；为了催化剂的活性最 佳，温度选定为400～500 ℃，D正确。
2. 甲醇是一种重要的有机化工原料，在工业上有着重要的用途。
80％　
0.04 mol·L－1·min－1　
升高温度，使用更高效的催化剂　
实验编号 T/K 催化剂 CO2转化率（％） 甲醇选择性（％）
1 543 催化剂a 12.3 42.3
2 543 催化剂b 10.9 72.7
3 553 催化剂a 15.3 39.1
4 553 催化剂b 12.0 71.6
②553 K下，反应①在无催化剂、催化剂a和催化剂b三种情况下，活化能最小的 是 。
解析：（2）①从表格中数据分析，在相同的温度下，不同的催化剂，相同的反应时 间内CO2的转化率不同，说明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应①的催化能 力不同，反应速率不同，因而对甲醇的选择性有影响。②由实验3、4可知，4中甲醇 选择性高，则相同温度下，催化剂b对CO2转化成CH3OH有较高的选择性，对应的活 化能最小。
反应未达到平衡，不同的催化剂对反应①的催化能力不同，反应速率不同，
因而对甲醇的选择性有影响
催化剂b　
5％　
M点温度较高，反应速率较快，CO的平衡转
化率与N点相差不大，压强为常压，对设备要求不高，更经济
解析：（3）通入1 mol H2和1 mol CH3OH与通入1 mol CO和3 mol H2达到的平衡为等 效平衡，正向CO的平衡转化率与逆向甲醇的平衡转化率之和为1，正向CO的平衡转 化率为95％，则逆向甲醇的平衡转化率为5％。相对于N点而言，M点温度在500～600 K之间，温度较高，反应速率较快，CO的平衡转化率与N点相差不大，且常压对设备 和动力要求低，更经济。
1.25　
O2太少不利于NH3的转化，r值为1.7～2.2之间时，NH3氧化率已接近
100％
工业生产中应选择的最佳反应条件为 。
解析：（2）由图可知，催化剂C/Z－250的催化效果最好，反应温度为240 ℃时一氧 化碳的转化率较大，再升高温度，一氧化碳的转化率基本不变，因此工业生产中应选 择的最佳反应条件是C/Z－250作催化剂，反应温度为240 ℃。
使用C/Z－250作催化剂，反应温度为240℃　
课时作业（十四）　化学反应的调控
[对点训练]
题组一　工业合成氨条件的理论分析
①降低温度　②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和 H2　③增加NH3的物质的量　④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A. ①④ B. ①②
C. ②③ D. ③④
B
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解析：①降低温度，平衡正移，N2转化率增大；②再通入一定量的N2和H2，相当于 加压，平衡正移，N2转化率增大；③增加NH3的物质的量，平衡逆移，N2转化率减 小；④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，c（N2）、c（H2）减小，相当于减 压，N2转化率减小。
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A. 升高温度，可以加快反应速率
B. 在上述条件下，N2不能完全转化为NH3
C. 使用催化剂是为了加快反应速率
D. 达到平衡时，NH3浓度是N2浓度的2倍
解析：温度越高反应速率越快，升高温度，可以加快反应速率，故A正确；该反应是 可逆反应，不能进行彻底，恒温条件下达到化学平衡时，N2不能完全转化为NH3，故 B正确；使用催化剂可以加快化学反应速率，故C正确；N2和NH3的起始量和转化率 未知，无法确定NH3浓度和N2浓度的关系，故D错误。
D
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题组二　工业合成氨的适宜条件
①使用铁触媒催化剂有利于合成氨反应
②增大体系的压强，可以提高混合物中氨的百分含量　③在500 ℃左右下反应比在常 温下反应更有利于合成氨　④不断补充新鲜的高压N2、H2混合气有利于合成氨
C
A. ①② B. ①③ C. ②④ D. ③④
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解析：①催化剂只是影响反应速率，不影响化学平衡，不能用勒夏特列原理解释，错 误；②增大压强，平衡正反应移动，原料利用率提高，氨气产率增大，高压比常压条 件更有利于合成氨的反应，可以用勒夏特列原理解释，正确；③合成氨是放热反应， 温度升高，平衡逆向移动，所以500 ℃左右比常温下不利于合成氨的反应，不能用勒 夏特列原理解释，错误；④在合成氨生产中，不断补充新鲜的高压N2、H2混合气，增 大反应物浓度，平衡正向移动，能用勒夏特列原理，正确；故选C。
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A. 工业上制氮气一般用分离液态空气法
B. 步骤②③④⑤均有利于提高反应物的平衡转化率
C. 步骤①中“净化”N2、H2混合气体可以防止催化剂中毒
D. 步骤③中温度选择500 ℃，主要是考虑催化剂的活性
B
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解析：空气中主要的两种气体是氮气和氧气，利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点 低，先将空气加压降温变成液态，然后再加热，由于液氮的沸点比氧气的沸点低，氮 气首先从液态空气中蒸发出来，留下的就是液态氧气，工业上制氮气一般用分离液态 空气法，故A正确；步骤③中催化剂不改变化学平衡，反应物的平衡转化率不变，又 合成氨的反应为放热反应，升温平衡逆向移动，反应物的平衡转化率减小，故B错 误；为防止催化剂中毒，反应前的氮气和氢气混合气体需要除杂净化，故C正确；步 骤③中温度选择500 ℃，主要是考虑催化剂的活性，故D正确。
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A. “热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化
B. “热Fe”有利于N2快速转化为N
C. “冷Ti”低于体系温度，有利于提高合成氨反应速率
D. 该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺中存在的反应速率和平衡产率的矛盾
C
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题组三　化学反应的调控
A. 工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成
B. 若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C. 工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D. 工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
解析：工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高 A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使 用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。
D
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A. 合成甲醇时压强越大越好
B. 增大压强，正反应速率增大，逆反应速率减小
C. 合成甲醇的最佳温度为520 K
D. 520 K之前升高温度单位时间内甲醇的产率减小
C
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解析：虽然增大压强能加快反应速率，使平衡正向移动而提高甲醇的产率，但压强越 大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生 产投资，并可能降低综合经济效益，故合成甲醇时不是压强越大越好，A项错误；增 大压强，正、逆反应速率都增大，B项错误；根据图2可知，520 K时甲醇的产率最 大，合成甲醇的最佳温度为520 K，C项正确；图示曲线为反应相同时间，520 K之前 反应未达到平衡状态，升高温度，反应速率加快，单位时间内甲醇的产率增大，D项 错误。
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[综合强化]
A. 图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反应热
B. 反应中有极性键的断裂与形成
C. 当温度、体积一定时，在原料气中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
D. 合成氨反应使用的条件高温、高压是为了提高反应物的平衡转化率
A
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解析：图①到图③为氮气和氢气中的化学键断裂的过程，图⑤到图③为氨气中化学键 的断裂的过程，故图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反 应热，A正确；该反应过程为氮气和氢气反应生成氨气，反应过程中只有非极性键的 断裂和极性键的形成，B错误；当温度、体积一定时，在原料气中添加少量惰性气体 不影响各组分的浓度，因此不影响平衡，不能提高平衡转化率，C错误；合成氨的反 应是气体总体积减小的放热反应，故高压是为了提高反应物的平衡转化率，但高温不 是为了提高转化率，D错误。
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A. 该反应的ΔH＜0
B. 该反应伴随着副反应的发生
C. 工业上选择的较适宜温度为280～290 ℃
D. 加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率
D
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解析：由题图可知，随着温度的升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向 移动，则该反应是放热反应，ΔH＜0，A项正确；由图可知，CO的转化率降低的同 时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B 项正确；在280～290 ℃之间，CH3OCH3的产率很高，C项正确；加入催化剂可以改变 反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。
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10. 二氧化碳加氢制甲醇涉及的反应可表示为
B
A. H2的平衡转化率始终低于CO2
B. n曲线代表的物质为CH3OH，温度越高，越有利于CH3OH的生成
C. 270～400 ℃时，平衡移动的程度：反应Ⅰ＜反应Ⅱ
D. 加入选择性高的催化剂，可提高CH3OH的平衡转化率
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解析：起始时按照n（CO2）∶n（H2）＝1∶3投料，只发生反应Ⅰ时，CO2、H2平衡 转化率相同，发生反应Ⅱ时，H2的平衡转化率小于CO2平衡的转化率，当反应Ⅰ、Ⅱ都 发生时，则H2的平衡转化率小于CO2的平衡转化率，故A正确；升高温度，反应Ⅰ平衡 向左移动，反应Ⅱ平衡向右移动，温度越高，CH3OH的含量越低，越不利于CH3OH的 生成，m曲线代表的物质是CH3OH，故B错误；270～400 ℃时，根据CO2的转化率变 化曲线可知，CO2的转化率逐渐增大，说明平衡移动的程度：反应Ⅱ＞反应Ⅰ，故C正 确；加入选择性高的催化剂，可以提高甲醇的产量，从而提高CH3OH的平衡转化 率，故D正确。
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11. （2025·马鞍山第二中学期中）运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义，请 完成下列问题。
①该反应在低温下 （填“能”或“不能”）自发进行。
不能　
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②400 ℃时，在0.5 L的反应容器中进行合成氨反应，一段时间后，测得N2、H2、NH3 的物质的量分别为2 mol、1 mol、2 mol，则此时反应2v正（N2） （填 “＞”“＜”“＝”或“不能确定”）v逆（NH3）。
③若在恒温下将容器的容积缩小到原来的二分之一，则合成氨反应的平衡 （填“向左”“向右”或“不”）移动；反应的ΔH （填“增大”“减小” 或“不变”）。
2　
＝　
向右　
不变　
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实验编号 温度/℃ 起始量/mol 平衡量/mol 达到平衡所需时间/min
CO H2O H2 CO
1 650 4 2 1.6 2.4 5
2 900 2 1 0.4 1.6 3
①平衡常数K（650 ℃） （填“大于”“小于”或“等于”）K（900 ℃）。
②若将实验2中CO和H2O的物质的量加倍，则平衡时H2的物质的量浓度为 。
大于　
0.4 mol·L－1　
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（1）A、B两点对应的正反应速率较大的是 。
解析：（1）由图可知，A、B两点对应的温度和压强都相同，A点是乙苯和氮气的混合气体，B点是纯乙苯，则B点乙苯浓度大于A点，浓度越大反应速率越大，则正反应速率B点大于A点。
B　
解析：（2）该反应正反应气体分子数增加，加入氮气稀释，相当于减压，减小压 强，化学平衡正向移动，乙苯的转化率增大。
正反应方向气体分子数
增加，加入氮气稀释，相当于减压
（3）用平衡分压代替平衡浓度计算600 ℃时的平衡常数Kp＝ （保留两 位有效数字，分压＝总压×物质的量分数）。
0.019 MPa　
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600 ℃时，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均
较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降。高温还可能使催
化剂失活，且能耗大
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