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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
合成氨反应的原理分析和数据分析
1.原理：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
2.反应特点：气体体积缩小的放热的可逆反应。
3.原理分析
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨反应的速率 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用
提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 降低温度 增大压强 无影响
4.数据分析
根据教材第47页表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的实验数据分析，增大反应速率的条件是升高温度、增大压强、增大反应物浓度或使用催化剂等，增大平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。二者在温度上的措施是不一致的。
(3)催化剂
①在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。
②使用催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时也能较快地进行反应。
③目前普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
④原料气必须经过净化，目的是防止混有的杂质使催化剂“中毒”。
(4)浓度
①在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。
②实际生产中采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，使平衡向生成NH3的方向移动；将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
4.选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素。
(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
(3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等。
(4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
选择化工生产适宜条件的分析角度与原则要求
分析角度 原则要求
从化学反应速率的角度分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动的角度分析 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
从原料利用率的角度分析 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
从实际生产能力的角度分析 如设备承受高温、高压的能力等
从催化剂的使用活性的角度分析 注意温度对催化剂活性的限制
该反应为反应前后气体分子数减少的反应，ΔS＜0，且ΔH＜0，ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，反应可自发进行，则该反应的正反应在低温下可自发进行；由于ΔH＜0，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数K减小。
温度升高，平衡向吸热反应方向移动。
低温　减小
(3)在2 L恒容密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2合成氨，测得N2的转化率与温度的关系如图1所示。则温度T1　　　　(填“＞”或“＜”)T2。T1温度下，合成氨反应的平衡常数K为　　　　(结果保留3位有效数字)。
图1
＞　8.33
图1
(4)一定温度下，在容积可变的密闭容器中充入 1 mol N2和 4 mol H2合成氨，相同时间内，测得NH3(g)体积分数与压强的关系如图2所示。cd段NH3(g)体积分数急剧降低的原因可能是　　　　(填字母)。
A. 平衡向左移动
B. 反应速率降低
C. 氨已液化
图2
C
由图2知，cd段 NH3体积分数急剧减小的主要原因可能是压强过大使氨液化，故选C。
解答本题的思维流程
提取关键点 (1)有利于提高反应速率；
(2)有利于提高平衡转化率；
(3)需要不断分离出氨的原因
转化知识点 (1)化学反应进行方向的判断；
(2)影响化学反应速率和影响化学平衡的因素
排除障碍点 解决化学反应的调控问题时，应从速率和平衡两个角度综合考虑影响因素
图像二：“环式”反应过程图像
对于“环式”反应过程图像，位于“环上”的物质一般是催化剂或中间体，如⑤⑥⑦和⑧，“入环”的物质为反应物，如①和④，“出环”的物质为生成物，如②和③。
图像三：能垒图像
能垒图像分析方法与能量-历程图像分析方法是类似的，能垒图像清晰地展示出了反应历程中物质的变化和能量的变化，能垒(即活化能)最大的步骤即为决速步。
－205.9 kJ·mol－1　低温
(2)向恒压、密闭容器中通入1 mol CO2和4 mol H2，平衡时体系内CH4、CO、CO2的物质的量(n)与温度(T)的变化关系如图1所示。
①结合上述反应，解释图中CO2的物质的量随温度的升高先增大后减小的原因：_____________________________________________。
图1
约600 ℃之前，温度对反应Ⅰ的影响更大，CO2物质的量总量上升；约600 ℃之后，温度对反应Ⅱ、Ⅲ的影响更大，CO2物质的量总量下降
约600 ℃之前，温度对反应Ⅰ的影响更大，平衡逆向移动，CO2物质的量总量上升；约600 ℃ 之后，温度对反应Ⅱ、Ⅲ的影响更大，反应Ⅱ平衡正向移动，反应Ⅲ平衡逆向移动，则CO2物质的量总量下降。
图1
60％
图1
选择合适的催化剂　
图1
催化剂能提高反应速率，在实际生产中为了提高化学反应速率和甲烷的选择性，应当选择合适的催化剂。
＜
图2
三步突破能量变化能垒图
通览全图，理清坐标含义 能量变化能垒图的横坐标一般表示反应的历程，横坐标的不同阶段表示一个完整反应的不同阶段。纵坐标表示能量的变化，不同阶段的最大能垒即该反应的活化能
细看变化，分析各段反应 仔细观察曲线的变化趋势，分析每一阶段发生的反应是什么，各段反应放热还是吸热，能量升高的为吸热，能量下降的为放热
综合分析，作出合理判断 如利用盖斯定律将各步反应相加，即得到完整反应；催化剂只改变反应的活化能，不改变反应的反应热，也不会改变反应物的转化率
“图像”型的解题策略
1.审题
(1)阅读题干文字部分内容，明确图像要呈现的内容是关于什么反应、在什么条件下、哪个反应阶段(从开始到结束，或相同时段内，或平衡时)、什么物质的什么量(y)随什么量(x)变化的情况。
(2)看清图像的横坐标和纵坐标(注意单位及数量级)，当有两套横坐标或纵坐标、多条曲线时，认清各曲线对应的是哪一套坐标系；当有一套坐标系、多条曲线时，搞清楚各曲线所对应的物质或因变量。
2.分析
(1)根据图像的文字说明及坐标系的化学含义，确定图像的类型(速率图像、平衡图像、既有速率又有平衡、是否平衡不确定)。
(2)搞清楚曲线的起点、拐点、终点或两曲线的交点所表示的化学含义。
(3)搞清楚曲线的变化趋势所表示的化学含义。
①横坐标为时间t、纵坐标为n或c或α(转化率)的图像，通常曲线的“斜率”大小表示化学反应速率的快慢，“平台”高度的变化表示化学平衡状态的移动方向。
②横坐标为T或p，纵坐标为平衡状态的某个量，曲线的变化趋势表示平衡的移动方向。
③横坐标为T或p，纵坐标为相同时间段内的某个量，曲线有两种不同的变化趋势，则通常第一个变化趋势表示速率的变化，第二个变化趋势表示平衡的移动(横坐标为T时，可能是因为T过高，催化剂活性降低，或发生副反应)。
3.答题
(1)精读选项，确定问题属性。
(2)“先证据，再理论”。
(3)分析过程：逆向思维＋逻辑推理。
(4)答案呈现：题给证据(信息)＋对应理论分析。
D
化学平衡图像题的解题流程

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