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第四节 化学反应的调控
一、知识目标
1.了解合成氨的发展历程，知道合成氨反应的特点及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。
2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。
3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。
4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。
二、核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识合成氨工业的生产过程和反应条件，从微观上理解化学反应速率和化学平衡的原理，以及反应条件对它们的影响。
2.证据推理与模型认知：通过对合成氨反应数据的分析和处理，建立化学反应速率和化学平衡的模型，培养证据推理能力。
3.科学探究与创新意识：通过对合成氨反应条件的探究和优化，培养科学探究能力和创新意识，了解化学科学对社会发展的重要贡献。
4.科学态度与社会责任：了解合成氨工业的发展历程和重要意义，认识化学工业对社会发展的重要作用，培养科学态度和社会责任意识。
一、学习重点
1.合成氨反应条件的选择和合成氨生产的工艺流程。
2.化工生产中调控反应的一般思路。
二、学习难点
1.综合考虑各种因素，选择合成氨的适宜条件。
2.理解化工生产中调控反应的一般思路并应用于实际问题。
一、合成氨条件的理论选择
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 反应。
(3)熵变：ΔS 0，正反应是气体体积 的反应。
(4)焓变：ΔH 0，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 )，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 、 ；提高平衡混合物中氨的含量的条件是 、 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。
二、工业合成氨的适宜条件
1．问题讨论
(1)压强
①原理分析： 。
②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为 MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由： 。
(2)温度
①原理分析： 有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为 ℃。
③不采用低温的理由： 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为 。
(3)催化剂
①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分 。
②选用条件：通常采用加入以 的多成分催化剂，又称 。
③选择催化剂的理由： 。
另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过 。
(4)浓度
①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍 。
②采取的措施：采取 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；应将NH3分离后的原料气 ，并及时 ，使反应物保持一定的浓度。
③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向 移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的 ，又提高了反应 ，有利于合成氨反应。
2．工业合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 MPa
温度 ℃
催化剂 使用 作催化剂
浓度 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8]
3．合成氨的工艺流程
4．选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质 、 和 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 、 、 等情况。
(4)选择适宜的生产条件还要考虑 及 等方面的规定和要求。
（一）问题探究
1.合成氨发展历程探究
o问题：合成氨从生物固氮到现代工业合成经历了漫长的过程，请查找资料，总结不同阶段合成氨技术的特点和面临的主要问题。
o答案：
2.化工生产中调控反应思路拓展探究
o问题：除了合成氨工业，查找其他化工生产（如硫酸工业、钢铁工业等）中对化学反应进行调控的案例，分析其调控思路和方法有哪些异同点。
o答案：
（二）问题思考
1.化学反应方向判断思考
o问题：对于反应，，根据，分析该反应在什么条件下能自发进行，并说明理由。
o答案：
2.合成氨条件选择思考
o问题：在合成氨反应中，为什么增大压强既可以增大反应速率又能提高氨的产量？而降低温度虽然能提高氨的含量，但实际生产中却不采用较低温度？
o答案：
（三）归纳总结
1.合成氨反应条件归纳
o问题：综合分析影响合成氨反应速率和平衡的因素，归纳合成氨的适宜条件，并说明选择这些条件的依据。
o答案：
2.合成氨生产工艺流程归纳
o问题：总结合成氨生产的工艺流程，说明每个环节的作用。
o答案：
（四）例题讲解
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ）
A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行
B. 恒容条件下充入稀有气体有利于的合成
C. 合成氨厂一般采用的压强为，因为该压强下铁触媒的活性最高
D. 的量越多，的转化率越大，因此，充入的越多越有利于的合成
2. 某工业生产中发生反应：。下列有关该工业生产的说法正确的是（ ）
A. 工业上合成时，一定采用高压条件，因为高压有利于的生成
B. 若物质廉价易得，工业上一般采用加入过量的的方式来提高和的转化率
C. 工业上一般采用较高温度合成，因温度越高，反应物的转化率越高
D. 工业生产中使用催化剂可提高的日产量
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ）
A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行
B. 恒容条件下充入稀有气体有利于NH 的合成
C. 合成氨厂一般采用的压强为10MPa - 30Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高
D. N 的量越多，H 的转化率越大，因此，充入的N 越多越有利于NH 的合成
2.某工业生产中发生反应：(2A(g)+B(g) M(g)H<0)。下列有关该工业生产的说法正确的是（ ）
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廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高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. 工业生产中使用催化剂可提高M的日产量
3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是(SO2)的催化氧化：(2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)H<0)。下列说法正确的是（ ）
A. 反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益
B. 反应放热，为提高(SO2)转化率，应尽可能在较低温度下反应
C. 工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度
D. 沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室
4.中国科学家在合成氨([(N2(g)+3H2(g) 2NH3(g))H<0])反应机理的研究中取得新进展，首次报道了LiH - 3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（ ）
A. 转化过程中有非极性键的断裂与形成
B. 复合催化剂降低了反应的活化能
C. 复合催化剂能降低合成氨反应的焓变
D. 低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率
5.常压下羰基化法精炼镍的原理为(Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g))。230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10-5)。已知：(Ni(CO)4)的沸点为42.2°C，固体杂质不参与反应。第一阶段：将粗镍与(CO)反应转化成气态(Ni(CO)4)；第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230°C制得高纯镍。下列判断不正确的是（ ）
A. 该反应达到平衡时，(v{分解}[ Ni(CO)4]=4v{消耗}(CO))
B. 第一阶段应选择稍高于42.2°C的反应温度
C. 第二阶段，230°C时(Ni(CO)4)分解率较高
D. 其他条件不变，增大(c(CO))，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变
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。
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
三、选择化工生产适宜条件的分析角度
1、化工生产中控制反应条件的原则
在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本、安全操作、环境保护和实际可能性等。
2、化工生产中调控反应的一般思路
3、从化学平衡移动的方向分析
（1）从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。
（2）根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
外界条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 无 加合适的催化剂
温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞0 高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
考点一　合成氨条件的选择
1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)
A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④
2．合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述中，不正确的是(　　)
A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应
B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率
C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率
D．铁触媒的使用有利于提高合成氨的生产效率
3．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　)
A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　)
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
考点二　以合成氨为背景的综合题
1．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　)
A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
2．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　)
选项 A B C D
研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
3.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ
B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大
D．升高温度，平衡常数K增大
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N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．c点处反应达到平衡
B．d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d点的值要大
D．a点的正反应速率比b点的小
5.在N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　)
A．改变条件后速率—时间图像如图所示
B．此过程中Q>K
C．平衡体系中NH3的含量增大
D．N2的转化率增大
考点三　化学反应的调控
1．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是(　　)
A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气
B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量
C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强
D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　)
A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
3．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　)
A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率
B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大
C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率
D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率
4．如图表示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，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，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。
(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。
A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃
(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：
t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1)
0 0.2 0.3 0 0
2 n1 n2 n3 0.3
3 n1 n2 n3 0.3
4 0.09 0.19 x 0.33
①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。
②反应在3～4 min之间，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
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第四节 化学反应的调控
一、知识目标
1.了解合成氨的发展历程，知道合成氨反应的特点及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。
2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。
3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。
4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。
二、核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识合成氨工业的生产过程和反应条件，从微观上理解化学反应速率和化学平衡的原理，以及反应条件对它们的影响。
2.证据推理与模型认知：通过对合成氨反应数据的分析和处理，建立化学反应速率和化学平衡的模型，培养证据推理能力。
3.科学探究与创新意识：通过对合成氨反应条件的探究和优化，培养科学探究能力和创新意识，了解化学科学对社会发展的重要贡献。
4.科学态度与社会责任：了解合成氨工业的发展历程和重要意义，认识化学工业对社会发展的重要作用，培养科学态度和社会责任意识。
一、学习重点
1.合成氨反应条件的选择和合成氨生产的工艺流程。
2.化工生产中调控反应的一般思路。
二、学习难点
1.综合考虑各种因素，选择合成氨的适宜条件。
2.理解化工生产中调控反应的一般思路并应用于实际问题。
一、合成氨条件的理论选择
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，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。
二、工业合成氨的适宜条件
1．问题讨论
(1)压强
①原理分析：压强越大越好。
②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，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。
(2)温度
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500_℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。
②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。
另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
(4)浓度
①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍不够高。
②采取的措施：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；应将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。
③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。
2．工业合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 10～30 MPa
温度 400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒作催化剂
浓度 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8]
3．合成氨的工艺流程
4．选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质组成、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、经济成本等情况。
(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。
（一）问题探究
1.合成氨发展历程探究
o问题：合成氨从生物固氮到现代工业合成经历了漫长的过程，请查找资料，总结不同阶段合成氨技术的特点和面临的主要问题。
o答案：20世纪以前主要是生物固氮，通过固氮酶将氮气转化为氨，特点是自然、环保，但产量非常有限，难以满足大规模需求。1898年德国A.弗兰克等人发现氮能与碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应获得氨，此方法开辟了新的固氮途径，但可能存在工艺复杂、成本较高等问题。1909年德国化学家Haber用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 - 20MPa和500 - 600°C下直接合成氨，实现了从空气中制造氨气，但产率极低，只有6%。1912年Haber - Bosch法，铁基催化剂用于合成氨，推动了合成氨生产工业化，但对设备和技术要求较高。后续不同时间节点，科学家们在合成氨的研究上不断取得新进展，如降低反应条件、提高产率等，但仍面临着提高效率、降低成本等挑战。
2.化工生产中调控反应思路拓展探究
o问题：除了合成氨工业，查找其他化工生产（如硫酸工业、钢铁工业等）中对化学反应进行调控的案例，分析其调控思路和方法有哪些异同点。
o答案：以硫酸工业为例，关键步骤是。其调控思路和合成氨工业有相同点，都要考虑反应的可行性、化学平衡和反应速率。在反应可行性方面，都要判断反应能否自发进行和反应限度；在化学平衡上，都通过改变温度、压强、浓度等条件使平衡向有利方向移动；在反应速率上，都使用催化剂加快反应速率。不同点在于，硫酸工业中由于该反应是放热反应，温度过高会使平衡逆向移动，所以不能一味提高温度来加快反应速率，且在常压下二氧化硫的转化率已经较高，增大压强对设备要求高、成本增加大，所以不一定采用高压条件。而钢铁工业中，炼铁的主要反应，要考虑矿石的选择、还原剂的用量、温度的控制等，与合成氨和硫酸工业的反应体系和调控重点有所不同。
（二）问题思考
1.化学反应方向判断思考
o问题：对于反应，，根据，分析该反应在什么条件下能自发进行，并说明理由。
o答案：要使反应能自发进行，则。已知，，代入，即，移项可得，解得，所以在低温下该反应能自发进行。
2.合成氨条件选择思考
o问题：在合成氨反应中，为什么增大压强既可以增大反应速率又能提高氨的产量？而降低温度虽然能提高氨的含量，但实际生产中却不采用较低温度？
o答案：根据化学反应速率理论，增大压强，气体浓度增大，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞次数增加，反应速率增大。对于合成氨反应，该反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，即正向移动，所以能提高氨的产量。降低温度，平衡向放热反应方向移动，合成氨反应是放热反应，所以降低温度能提高氨的含量。但温度降低会使反应速率减小，达到平衡所需时间变长，在工业生产中，时间成本增加，生产效率降低，很不经济，所以实际生产中不采用较低温度。
（三）归纳总结
1.合成氨反应条件归纳
o问题：综合分析影响合成氨反应速率和平衡的因素，归纳合成氨的适宜条件，并说明选择这些条件的依据。
o答案：合成氨的适宜条件为：
温度：。依据是温度升高反应速率增大，但该反应是放热反应，温度过高平衡逆向移动，氨的含量降低。在时，反应速率较快，且催化剂铁触媒的活性较大。
压强：。依据是压强增大，反应速率增大，且平衡正向移动，氨的含量升高。但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益，所以选择。
催化剂：铁触媒。依据是使用铁触媒能加快反应速率，缩短到达平衡时间。
浓度：增大氮气浓度、液化氨气。依据是增大氮气浓度，促使化学平衡正向移动，提高氨的产量，且氢气价格比氮气高，增大氮气浓度可以提高氢气的转化率。液化氨气及时从混合物中分离出去，能使平衡正向移动。
2.合成氨生产工艺流程归纳
o问题：总结合成氨生产的工艺流程，说明每个环节的作用。
o答案：合成氨生产工艺流程为：制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩。
制气：包括原料气的制备，氮气通过液化空气，减压蒸发得到；氢气通过水蒸气与焦炭在高温下反应，，吸收后制得。作用是获取合成氨所需的原料气。
净化除杂：作用是除去原料气中的杂质，防止杂质使催化剂中毒，保证催化剂的活性。
压缩：使压强达到，作用是增大压强，加快反应速率，使平衡正向移动，提高氨的产量。
合成：在铁触媒作用下，温度为，使氮气和氢气反应生成氨气。
冷却分离：分离出液态氨，作用是使平衡正向移动，提高原料的利用率。
循环压缩：未反应的和经过循环反应，可全部转化为，增加原料利用率。
（四）例题讲解
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ）
A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行
B. 恒容条件下充入稀有气体有利于的合成
C. 合成氨厂一般采用的压强为，因为该压强下铁触媒的活性最高
D. 的量越多，的转化率越大，因此，充入的越多越有利于的合成
答案：A
解析：工业合成氨反应，，，根据，在低温或常温时，反应可自发进行，A正确；恒容条件下充入稀有气体，各物质的浓度不变，平衡不移动，对的合成无影响，B错误；合成氨厂一般采用的压强，是因为压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，成本增加，而不是该压强下铁触媒的活性最高，铁触媒的活性受温度影响较大，C错误；充入过多的，会使体系中的浓度过大，导致后续分离和的成本增加，并非充入的越多越有利于的合成，D错误。
2. 某工业生产中发生反应：。下列有关该工业生产的说法正确的是（ ）
A. 工业上合成时，一定采用高压条件，因为高压有利于的生成
B. 若物质廉价易得，工业上一般采用加入过量的的方式来提高和的转化率
C. 工业上一般采用较高温度合成，因温度越高，反应物的转化率越高
D. 工业生产中使用催化剂可提高的日产量
答案：D
解析：对于反应，增大压强平衡正向移动有利于的生成，但如果反应本身在常压下就能有较高的产率，或者增大压强对设备要求过高、成本增加过大等，就不一定采用高压条件，A错误；加入过量的，可以提高的转化率，但的转化率会降低，B错误；该反应，是放热反应，升高温度平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；使用催化剂能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高单位时间内的产量，即可提高的日产量，D正确。
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ）
A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行
B. 恒容条件下充入稀有气体有利于NH 的合成
C. 合成氨厂一般采用的压强为10MPa - 30Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高
D. N 的量越多，H 的转化率越大，因此，充入的N 越多越有利于NH 的合成
【答案】A
【解析】A. 工业合成氨反应(N2(g)+3H2(g) 2NH3(g))，(H<0)，(S<0)，根据(G=H - TS)，在低温或常温时(G<0)，反应可自发进行，A正确；B. 恒容条件下充入稀有气体，各物质的浓度不变，平衡不移动，对(NH3(g))的合成无影响，B错误；C. 合成氨厂一般采用10MPa - 30MPa的压强，是因为压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，成本增加，而不是该压强下铁触媒的活性最高，铁触媒的活性受温度影响较大，C错误；D. 充入过多的(N2)，会使体系中(N2)的浓度过大，导致后续分离(N2)和(NH3)的成本增加，并非充入的(N2)越多越有利于(NH3)的合成，D错误。
2.某工业生产中发生反应：(2A(g)+B(g) M(g)H<0)。下列有关该工业生产的说法正确的是（ ）
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廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高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. 工业生产中使用催化剂可提高M的日产量
【答案】D
【解析】A. 对于反应(2A(g)+B(g) M(g))，增大压强平衡正向移动有利于(M)的生成，但如果反应本身在常压下就能有较高的产率，或者增大压强对设备要求过高、成本增加过大等，就不一定采用高压条件，A错误；B. 加入过量的(B)，可以提高(A)的转化率，但(B)的转化率会降低，B错误；C. 该反应(H<0)，是放热反应，升高温度平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；D. 使用催化剂能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高单位时间内(M)的产量，即可提高(M)的日产量，D正确。
3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是(SO2)的催化氧化：(2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)H<0)。下列说法正确的是（ ）
A. 反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益
B. 反应放热，为提高(SO2)转化率，应尽可能在较低温度下反应
C. 工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度
D. 沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室
【答案】D
【解析】A. 增大压强虽然能使平衡正向移动，提高(SO2)的转化率，但增大压强对设备的要求提高，投资和成本增加，如果在常压下已经能达到较高的转化率，增大压强不一定有利于提高生产效益，A错误；B. 该反应是放热反应，降低温度平衡正向移动，有利于提高(SO2)的转化率，但温度过低，反应速率太慢，达到平衡所需时间过长，工业生产不经济，B错误；C. 该反应是放热反应，温度过高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，且会降低催化剂的活性，所以不能尽可能提高体系温度，C错误；D. 沸腾炉流出的气体中含有杂质，会使催化剂中毒，所以必须经过净化，并补充适量空气，提高(O2)的浓度，促使平衡正向移动，提高(SO2)的转化率，D正确。
4.中国科学家在合成氨([(N2(g)+3H2(g) 2NH3(g))H<0])反应机理的研究中取得新进展，首次报道了LiH - 3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（ ）
A. 转化过程中有非极性键的断裂与形成
B. 复合催化剂降低了反应的活化能
C. 复合催化剂能降低合成氨反应的焓变
D. 低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率
【答案】C
【解析】A. 在合成氨反应中，(N2)中的非极性键断裂，生成(NH3)过程中会形成(N - H)极性键，同时反应结束后可能有剩余的(N2)重新形成非极性键，所以转化过程中有非极性键的断裂与形成，A正确；B. 催化剂的作用是降低反应的活化能，从而加快反应速率，复合催化剂也不例外，B正确；C. 催化剂只能改变反应的活化能，不能改变反应的焓变，反应的焓变只与反应物和生成物的能量有关，C错误；D. 该反应(H<0)，是放热反应，降低温度，平衡正向移动，能提高原料的平衡转化率，D正确。
5.常压下羰基化法精炼镍的原理为(Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g))。230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10-5)。已知：(Ni(CO)4)的沸点为42.2°C，固体杂质不参与反应。第一阶段：将粗镍与(CO)反应转化成气态(Ni(CO)4)；第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230°C制得高纯镍。下列判断不正确的是（ ）
A. 该反应达到平衡时，(v{分解}[ Ni(CO)4]=4v{消耗}(CO))
B. 第一阶段应选择稍高于42.2°C的反应温度
C. 第二阶段，230°C时(Ni(CO)4)分解率较高
D. 其他条件不变，增大(c(CO))，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变
【答案】A
【解析】A. 该反应达到平衡时，(v{正}=v{逆})，即(v_{消耗}[ Ni(CO)4]= v{消耗}(CO))，而不是(v{分解}[ Ni(CO)4]=4v{消耗}(CO))，A错误；B. 第一阶段要将粗镍与(CO)反应转化成气态(Ni(CO)4)，而(Ni(CO)4)的沸点为42.2°C，所以应选择稍高于42.2°C的反应温度，使(Ni(CO)4)以气态形式存在，便于分离，B正确；C. 230°C时该反应的平衡常数(K = 2×10-5)，说明反应进行的程度较小，即(Ni(CO)4)分解率较高，有利于制得高纯镍，C正确；D. 平衡常数只与温度有关，其他条件不变，增大(c(CO))，平衡正向移动，但该反应的平衡常数不变，D正确。
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。
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
三、选择化工生产适宜条件的分析角度
1、化工生产中控制反应条件的原则
在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本、安全操作、环境保护和实际可能性等。
2、化工生产中调控反应的一般思路
3、从化学平衡移动的方向分析
（1）从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。
（2）根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
外界条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 无 加合适的催化剂
温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞0 高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
考点一　合成氨条件的选择
1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)
A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④
答案　B
解析　②④⑤操作均有利于化学平衡向合成氨的方向移动，提高转化率。
2．合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述中，不正确的是(　　)
A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应
B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率
C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率
D．铁触媒的使用有利于提高合成氨的生产效率
答案　C
解析　合成氨的反应为气体分子数减小的反应，增大压强有利于反应正向进行，A正确；合成氨的反应为可逆反应，原料不能完全反应，采用循环操作，可以提高原料利用率，B正确；合成氨的反应为放热反应，升温会使平衡逆向移动，工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高反应速率，C错误；铁触媒为催化剂，可以大大提高反应速率，有利于提高合成氨的生产效率，D正确。
3．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　)
A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
答案　B
解析　合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择10～30 MPa，D项错误。
4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　)
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间
D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高
答案　C
解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。
考点二　以合成氨为背景的综合题
1．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　)
A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大
B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大
C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大
D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大
答案　B
解析　A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，升高温度对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，正反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率影响相同，错误。
2．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　)
选项 A B C D
研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
答案　C
解析　A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。
3.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ
B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大
D．升高温度，平衡常数K增大
答案　C
解析　该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。
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N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0,673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．c点处反应达到平衡
B．d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d点的值要大
D．a点的正反应速率比b点的小
答案　C
解析　c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；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d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；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；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。
5.在N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　)
A．改变条件后速率—时间图像如图所示
B．此过程中Q>K
C．平衡体系中NH3的含量增大
D．N2的转化率增大
答案　D
解析　分离出NH3，Qv逆，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，体系中NH3的含量减小。
考点三　化学反应的调控
1．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是(　　)
A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气
B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量
C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强
D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
答案　B
解析　反应2SO2＋O2 2SO3，通入过量的空气，反应正向进行，SO2的转化率提高，A项正确；高炉炼铁过程中发生反应：Fe2O3(s)＋3CO(g) 2Fe(s)＋3CO2(g)，达到平衡后，增加高炉的高度不能降低炼铁尾气中CO的含量，B项错误；工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强，若压强过大，不仅会增大能源消耗，还会增大动力消耗，对设备的要求也高，C项正确；工业合成氨是可逆反应，原料不能完全转化为产物，采用氮气和氢气循环操作的主要目的是提高氮气和氢气的利用率，D项正确。
2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　)
A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
答案　B
3．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　)
A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率
B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大
C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率
D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率
答案　B
解析　催化剂的优化不影响平衡的移动，不能提高反应物的转化率，A项错误；缩小容器体积即增大压强，平衡向气体体积减小的方向即正向移动，体系中各组分浓度均增大，B项正确；减小c(H2O)时正反应速率瞬间不变，v逆减小，平衡正向移动，C项错误；升高温度，平衡逆向移动，CO的平衡转化率降低，D项错误。
4．如图表示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，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，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。
(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。
A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃
(4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：
t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1)
0 0.2 0.3 0 0
2 n1 n2 n3 0.3
3 n1 n2 n3 0.3
4 0.09 0.19 x 0.33
①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。
②反应在3～4 min之间，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
答案　(1)放热　92　(2)b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　(3)D　(4)①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B
解析　(1)由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)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，从而加快了反应速率，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b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。(4) ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。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－1。
　　　　　　 CH4(g)＋H2O (g)??CO(g)＋3H2(g)
起始浓度/mol·L－1　 0.2　　　0.3　　　　0　　　 0
转化浓度/mol·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3
2和3 min浓度/(mol·L－1) 0.1 0.2 0.1 0.3
3～4 min转化浓度/mol·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03
4 min时浓度/mol·L－1 0.09 0.19 0.11 0.33
所以x＝0.11。
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