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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
认识化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：
1. 原理分析。
根据合成氨反应的特点，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？请填下表。
活动一：以合成氨为例探究合成氨工业生产的适宜条件
对合成氨的影响 影响因素
温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量

综合速率、平衡影响因素
升高温度
增大压强
使用催化剂
降低温度
增大压强
催化剂不改变平衡混合物组成
适宜温度
增大压强
使用催化剂
2. 数据分析。
不同条件下，合成氨反应达到化学平衡状态时反应混合物中NH3的体积分数(%)[V(N2)∶V(H2)＝1∶3]。
温度/℃ NH3的体积分数/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
(1) 目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。实际生产中采用一定高压的原因是什么，但没有采用更高压强的原因是什么？
【答案】 采用高压可以加快反应的速率，提高平衡转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也就越高，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) 合成氨一般使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂，俗称铁触媒。铁触媒在500 ℃左右时活性最大。实际工业生产中选定温度为 400～500 ℃，工业上如此选择的原因是什么？
【答案】 铁触媒在500 ℃左右时活性最大，合成氨选择400～500 ℃进行能增大反应速率。
(3) 合成氨的原料气为N2和H2，但原料气中含有少量杂质能使催化剂中毒(因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程)，工业生产中如何防止催化剂中毒？
【答案】 原料气必须经过净化。
(4) 即使在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中氨的体积分数也只有26.4%。工业上采用迅速冷却的方法，将氨气液化后从混合物分离出去。将氨气液化分离有什么作用？为进一步提高原料的利用率，工业上还可以如何操作？
【答案】 将氨气液化后分离可以提高平衡转化率。将氨分离后的原料气循环使用。
3. 为进一步提高合成氨的生产效率，你认为合理的研究方向是什么？
【答案】 研发在低温下具有高活性的催化剂。
硫酸工业中制取SO3的反应为
工业生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO2：7%，O2：11%，N2：82%。一定压强及温度下，SO2的平衡转化率如下表所示。
活动二：探究硫酸工业生产的适宜条件
温度/℃ SO2平衡转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 10 MPa
400 99.2 99.6 99.7 99.9
500 93.5 96.9 97.8 99.3
600 73.7 85.8 89.5 96.4
利用表中数据分析回答下列问题。
1. 硫酸工业采取常压，你认为硫酸工业采取常压的原因是什么？
【答案】 常压下，SO2的转化率已经很高。
2. 实际工业生产中选定实际温度为400～500 ℃，工业上如此选择的原因是什么？
【答案】 催化剂在400～500 ℃时活性最大，该温度下反应速率快。
3. 生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO2：7%，O2：11%，N2：82%，工业上让原料气中氧气适当过量，其目的是什么？
【答案】 可通过增加某些廉价的反应物(O2)浓度的方法来提高某些高成本反应物(SO2)的转化率。
4. 尾气中的SO2必须回收，原因是什么？可以用什么物质吸收尾气中的SO2
【答案】 SO2释放到空气中会污染空气、导致酸雨。可以用石灰乳、氨水等物质吸收。
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①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气浓度
A. ①②③ B. ④⑤
C. ①⑤ D. 只有⑤
C
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2. 合成氨工业上采用循环操作主要是为了(　　)
A. 增大反应速率 B. 能提高NH3的平衡浓度
C. 降低NH3的沸点 D. 提高N2和H2的利用率
D
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A. 高温、高压 B. 适宜的温度、高压、催化剂
C. 低温、低压 D. 高温、高压、催化剂
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B
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4. 工业上由SO2为原料通过催化氧化法制取SO3的过程中，下列措施能提高SO2平衡转化率的是(　　)
A. 使用催化剂 B. 鼓入过量的空气
C. 采用450 ℃的高温 D. 采用常压
1
B
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5. 近年来我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展。回答下列问题。
写出CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式：___________________ ________________________________________。
(2) 为提高CH3OH(g)的产率，理论上应采用的条件是_________(填字母)。
a. 高温高压 b. 低温低压
c. 高温低压 d. 低温高压
1
CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.9 kJ/mol
d
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反应物X是__________(填“CO2”或“H2”)。
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CO2
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压强/kPa 13.33 53.32 101.3
K的沸点/℃ 590 710 770
Na的沸点/℃ 700 830 890
NaCl的沸点/℃ — — 1 437
KCl的沸点/℃ — — 1 465
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(1) 在常压下金属钾转变为气态从反应混合物中分离的最低温度约为___________，而反应的最高温度应低于___________。
(2) 制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施有：______________________________________。
(3) 常压下，当反应温度升高到900 ℃时，该反应的平衡常数可表示
为K＝________。
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770 ℃
890 ℃
降低压强或移去钾蒸气、适当升高温度
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7. [鲁科版教材习题]煤的液化是获得洁净燃料的一种形式，主要是将煤转化成乙醇(C2H5OH)。有人设想先用煤与水蒸气反应生成CO，再通过下面的反应实现煤的液化：
你认为若要利用这个反应进行工业化生产，应采取哪些措施？
【答案】 该反应为放热反应，高温下平衡转化率降低，但低温下反应速率小，可以开发使用在低温下活性较高的催化剂，同时适当增大反应体系的压强。转化后，可将液态的乙醇、水分离出去，将CO和H2循环使用。
1

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