化學反應(yīng)的調(diào)控（學生版）人教2019選擇性必修1 高二化學 精講專練 學案

第12第12講化學反應(yīng)的調(diào)控知識導航知識導航知識精講知識精講一、合成氨反應(yīng)的原理分析工業(yè)合成氨是人類科學技術(shù)的一項重大突破，其反應(yīng)如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？請?zhí)钊胂卤?。對合成氨反?yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率提高平衡混合物中氨的含量二、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析下表的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強下，平衡混合物中氨的含量的變化情況(初始時氮氣和氫氣的體積比是1：3)。思考與交流：合成氨的反應(yīng)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？思考與交流：綜合上述兩個方面，分析增大合成氨的反應(yīng)速率與提高平衡混合物中氨的含量所應(yīng)采取的措施是否一致。在實際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢?三、合成氨反應(yīng)的條件調(diào)控工業(yè)合成氨的適宜條件壓強10～30MPa溫度400～500℃催化劑鐵觸媒濃度N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時從混合氣中分離出去思考與交流（（1）工業(yè)上合成氨為什么不采用更高壓強？（2）工業(yè)上合成氨為什么不采用更高溫度？四、調(diào)控化學反應(yīng)需考慮的問題1．反應(yīng)限度：要考慮盡量增大反應(yīng)物的__________，充分利用原料。2．反應(yīng)速率：要選擇較快的____________，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量。3．生產(chǎn)要求：要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。對點訓練對點訓練題型一：合成氨的條件調(diào)控【例1】在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列操作與平衡移動無關(guān)的是（）A．不斷將氨分離出來B．使用催化劑C．采用500℃左右的高溫而不是700℃的高溫D．采用2×107～5×107Pa的壓強【變1-2】（雙選）（2020·河北石家莊市·正定中學高二開學考試）2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯(P·Haber)獲得諾貝爾獎100周年。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ·mol-1。關(guān)于合成氨工藝的下列理解正確的是A．合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零B．控制溫度(773K)遠高于室溫，是為了保證盡可能高的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率C．當溫度、壓強一定時，在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體，有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率D．基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化，不斷將液氨移去，利于反應(yīng)正向進行【例2】合成氨工業(yè)對化學工業(yè)和國防工業(yè)具有重要意義。工業(yè)合成氨生產(chǎn)示意圖如圖所示。(1)X的化學式為________。(2)圖中條件選定的主要原因是________(填字母編號)。A．溫度、壓強對化學平衡的影響B(tài)．鐵觸媒在該溫度時活性大C．工業(yè)生產(chǎn)受動力、材料、設(shè)備等條件的限制(3)改變反應(yīng)條件，會使平衡發(fā)生移動。如圖表示隨條件改變，氨氣的百分含量的變化趨勢。當橫坐標為壓強時，變化趨勢正確的是__________，當橫坐標為溫度時，變化趨勢正確的是________(填字母編號)。題型二：化學反應(yīng)的條件調(diào)控【例4】下列生活和生產(chǎn)中的做法或事實，與調(diào)控反應(yīng)速率無關(guān)的是（）A．牛奶放在冰箱中冷藏B．使用加酶洗衣粉洗滌衣物C．汽車的橡膠輪胎中要添加抑制劑D．工業(yè)合成氨時，及時將氨氣液化分離【例6】一種新型煤氣化燃燒集成制氫發(fā)生的主要反應(yīng)如下：Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ.Ⅳ.副反應(yīng)：Ⅴ.Ⅵ.回答下列問題：（1）已知反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ的平衡常數(shù)、隨溫度的變化如圖1、圖2所示。①由反應(yīng)Ⅴ和反應(yīng)Ⅵ可知，_______；反應(yīng)Ⅰ的_______(填“>”或“<”)0。②溫度小于800℃時，，原因是_______。③為提高反應(yīng)Ⅱ中的轉(zhuǎn)化率，可采取的措施是_______(寫一條)。④T℃時，向密閉容器中充入1和3，只發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，此時該反應(yīng)的平衡常數(shù)，的平衡轉(zhuǎn)化率為_______。（2）從環(huán)境保護角度分析，該制氫工藝中設(shè)計反應(yīng)Ⅲ的優(yōu)點是_______。（3）起始時在氣化爐中加入1C、2及1，在2.5下，氣體的組成與溫度的關(guān)系如圖3所示。①200~725℃時，的量不斷減少的原因是_______。②725~900℃時，的物質(zhì)的量分數(shù)快速減小，其原因是_______?！纠?】科學家在利用碳水化合物消除污染氣體和生成新能源方面取得重大成果。(1)①甲醇是一種綠色可再生能源，在高效健化劑的作用下，CH4可與NO2反應(yīng)，消除NO2的污染，改善霧霾天氣，發(fā)生的反應(yīng)為：CH4(g)+2NO2(g)?CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)△H<0。該反應(yīng)自發(fā)進行的條件為_______(填高溫、低溫或任何條件)。在恒溫恒容條件下，下列不能說明該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是_______(填序號)。a.v逆(NO2)=v正(H2O)b.混合氣體的密度不再變化c.混合氣體的平均摩爾質(zhì)量不再變化d.單位時間內(nèi)有4molC-H健斷裂的同時有4molO-H鍵形成e.混合氣體的壓強不變②如表是相同時間內(nèi)處理NO2的量與溫度的關(guān)系，NO2的處理量先增大后減小的原因是_______。溫度/℃100200300400500NO2的處理量/%39.370.485.675.750.5(2)一定條件下，向2L恒容密閉容器中通入4molCH4、8molNO2發(fā)生上述反應(yīng)。測得反應(yīng)過程中NO2的體積分數(shù)在不同條件X下隨著時間的變化如圖1中曲線I、曲線II所示：①若X表示溫度，則X1、X2的相對大小是_______，a、b、c三點對應(yīng)的混合氣體的平均相對分子質(zhì)量的大小為_______(用a、b、c表示)②X1條件下，在t1~t3min內(nèi)v(N2)_______(填“>”“<”或“=”)在t2~t3min內(nèi)v(N2)，曲線I對應(yīng)的反應(yīng)的平衡常數(shù)K=_______，(用分數(shù)表示)(3)欲研究在某催化劑作用下該反應(yīng)的反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系，在其他條件相同時，改變反應(yīng)溫度，測得經(jīng)過相同時間時該反應(yīng)的正反應(yīng)速率如圖2所示，A、B兩點對應(yīng)溫度下正反應(yīng)速率變化的原因可能是_______。A、B兩點對應(yīng)溫度下該反應(yīng)的活化能Ea(A)_______Ea(B)(填“>”或“<”)?！纠?】二甲醚(DME)正逐漸替代化石燃料。有多種方法制備二甲醚，回答下列問題。(1)合成氣制二甲醚：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH＝-204.7kJ·mol-1①已知：H2O(g)＝H2O(l)ΔH＝-44.0kJ·mol-1，H2(g)的燃燒熱ΔH＝-285.8kJ·mol-1，CO(g)的燃燒熱ΔH＝-283.0kJ·mol-1。則二甲醚的燃燒熱ΔH＝________kJ·mol-1。②300℃，1L恒容密閉容器中充入4molH2和2molCO，測得容器內(nèi)壓強變化如下：反應(yīng)時間/min0510152025壓強/MPa12.410.28.47.06.26.2反應(yīng)進行到20min時，H2的轉(zhuǎn)化率為________，CO的平均反應(yīng)速率v(CO)＝________mol·L-1·min-1。該溫度下的平衡常數(shù)K＝________(mol·L)-4。(2)CO2催化加氫制二甲醚，可以實現(xiàn)CO2的再利用。該過程主要發(fā)生如下反應(yīng)：Ⅰ．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41.7kJ·mol-1Ⅱ．2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)ΔH＝-122.5kJ·mol-1恒壓條件下，CO2、H2起始量相等時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和CH3OCH3的選擇性隨溫度變化如圖。已知：CH3OCH3的選擇性①300℃時，通入CO2、H2各1mol，平衡時CH3OCH3的選擇性、CO2的平衡轉(zhuǎn)化率都為30％，平衡時生成CH3OCH3的物質(zhì)的量＝________mol。溫度高于300℃，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是________。②220℃時，CO2和H2反應(yīng)一段時間后，測得A點CH3OCH3的選擇性為48％，不改變反應(yīng)時間和溫度，一定能提高CH3OCH3的選擇性的措施有________。提分特訓提分特訓【題1】下列生產(chǎn)、生活等實際應(yīng)用，不能用勒夏特列原理解釋的是A．合成氨工業(yè)中，溫度越高越有利于氨的合成B．合成氨工業(yè)通常采用20MPa～50MPa壓強，以提高原料的利用率C．合成三氧化硫過程中使用過量的氧氣，以提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率D．實驗室中用排飽和食鹽水的方法收集氯氣【題2】下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中正確的是A．鐵作催化劑可加快反應(yīng)速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動B．升高溫度可以加快反應(yīng)速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動C．增大壓強能縮短到達平衡狀態(tài)所用的時間D．合成氨采用的壓強是1×107~3×107Pa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最高【題3】熱催化合成氨面臨的兩難問題是：釆用高溫增大反應(yīng)速率的同時會因平衡限制導致NH3產(chǎn)率降低。我國科研人員研制了Ti-H-Fe雙溫區(qū)催化劑(Ti-H區(qū)域和Fe區(qū)域的溫度差可超過100℃)。Ti-H-Fe雙溫區(qū)催化合成氨的反應(yīng)歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面上的物種用*標注。下列說法正確的是A．①為氮氮三鍵的斷裂過程B．①②③在低溫區(qū)發(fā)生C．④為N原子由Fe區(qū)域向Ti-H區(qū)域的傳遞過程D．使用Ti-H-Fe雙溫區(qū)催化劑使合成氨反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岱磻?yīng)【題4】工業(yè)合成氨是人工固氮的一種重要方式，氨的合成實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)迄今已有100多年歷史，合成氨技術(shù)是人類科學技術(shù)領(lǐng)域的重要突破。請回答：(1)下列有關(guān)獲取原料氣的說法正確的是___________。A．可通過液化空氣分離法得到氮氣B．可用煤、天然氣與水蒸氣反應(yīng)制備水煤氣，進而獲取氫氣C．原料氣需經(jīng)凈化處理以防催化劑中毒D．電解水法獲取氫氣是一種較為廉價且高效的方法(2)原料氣中的雜質(zhì)氣體H2S可用過量氨水凈化吸收，寫出化學反應(yīng)方程式___________。(3)工業(yè)生產(chǎn)中氮氣與氫氣按物質(zhì)的量之比為1：2.8進行投料，合成塔壓強p恒定。若起始時氮氣通入量為xmol，一段時間后測得氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率為80%，用平衡分壓代替平衡濃度表示平衡常數(shù)的KP=___________(用p表示，氣體分壓=總壓ⅹ物質(zhì)的量分數(shù))(4)據(jù)統(tǒng)計，每年全世界在合成氨工業(yè)中向外排放CO2高達40億噸，為循環(huán)使用CO2減少浪費，常見的方法是利用合成氨的產(chǎn)品NH3和副產(chǎn)品CO2合成尿素：①2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l)Ea1②NH2COONH4(l)CO(NH2)2(l)+H2O(l)Ea2副反應(yīng)：NH2COONH4+H2O=(NH4)2CO3已知活化能大?。篍a1＜＜Ea2某科研小組模擬工業(yè)合成尿素生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度在140℃時生成尿素的反應(yīng)速率反而比80℃小，可能原因是___________。(5)工業(yè)合成尿素中，通常氨碳投料比大于2，請分析可能原因___________。A．氨易獲得，成本較低B．氨過?？商岣叨趸嫉霓D(zhuǎn)化率，加快合成速率C．氨氣可與體系內(nèi)水結(jié)合，減少氨基甲酸銨水解，抑制副反應(yīng)發(fā)生D．氨結(jié)合水，促進反應(yīng)②正向移動【題5】煙氣中SO2和NO的轉(zhuǎn)化和綜合利用既有利于節(jié)約資源，又有利于保護環(huán)境。（1）采用NaClO2溶液作為吸收劑可同時對煙氣進行脫硫、脫硝，在一定濃度的NaClO2溶液中通入含有SO2和NO的煙氣，反應(yīng)溫度為323K。已知：4H++ClO=4ClO2+Cl-+2H2O；ClO2氧化性大于NaClO2。①寫出NaClO2溶液將NO氧化為NO的離子方程式：___________。②已知脫硫反應(yīng)速率大于脫硝反應(yīng)速率，原因是除了SO2和NO在煙氣中的初始濃度不同，還可能是___________。③當調(diào)節(jié)溶液初始pH由7升至12時，通入煙氣后，NO轉(zhuǎn)化率由100%降為51%，可能的原因是___________。（2）有氧條件下，NO在催化劑作用下可被NH3還原為N2。在釩基催化劑(V2O5)作用下的脫硝反應(yīng)機理如圖1所示。①根據(jù)圖1機理，NO、NH3在有氧條件下的總化學方程式是___________。②按上述圖1中NH3、NO和O2的比例進行催化脫硝反應(yīng)。相同反應(yīng)時間，NH3和NO的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖2所示，200℃后，NO轉(zhuǎn)化率急劇下降的原因是___________。（3）羥基自由基(HO·)也可以用于脫硫脫硝。圖3表示光催化氧化技術(shù)可生成HO·：光照時，價帶失去電子產(chǎn)生有強氧化性的空穴，價帶上生成HO·；描述產(chǎn)生HO·的另一種過程：___________。提分作業(yè)提分作業(yè)【練1】不符合工業(yè)合成氨生產(chǎn)實際的是A．鐵觸媒作催化劑 B．N2、H2循環(huán)使用C．NH3液化分離 D．反應(yīng)在常壓下進行【練2】在一定條件下，對于密閉容器中的反應(yīng)：N2＋3H22NH3，下列說法正確的是()A．當?shù)獨夂蜌錃馔读媳?物質(zhì)的量之比)為1∶3時，達到平衡時氨的體積分數(shù)最大B．增加鐵觸媒的接觸面積，不可能提高合成氨工廠的年產(chǎn)量C．達到平衡時，氫氣和氨氣的濃度比一定為3∶2D．分別用氮氣和氫氣來表示該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率時，數(shù)值大小一定相同【練3】已知：=-60kJ·mol-1合成總反應(yīng)在起始物時，在不同條件下達到平衡，設(shè)體系中甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為，在t=250℃下的、在下的如圖所示。（1）加壓有利于提高甲醇的產(chǎn)率，但實際生產(chǎn)中壓強控制為30MPa而不是更大的原因___________；（2）圖中對應(yīng)恒溫條件下反應(yīng)過程的曲線是___________，判斷的理由是___________；（3）當=0.03時，的平衡轉(zhuǎn)化率=___________(保留一位小數(shù))，由恒壓條件下的曲線判斷此時的反應(yīng)溫度可能是___________℃。【練4】在氮及其化合物的化工生產(chǎn)中，對有關(guān)反應(yīng)的反應(yīng)原理進行研究有著重要意義。(1)t℃時，關(guān)于N2、NH3的兩個反應(yīng)的信息如下表所示：化學反應(yīng)正反應(yīng)活化能逆反應(yīng)活化能t℃時平衡常數(shù)N2(g)+O2(g)=2NO(g)?H＞0akJ?mol-1bJ?mol-1K14NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)?H＜0eJ?mol-1dJ?mol-1K2請寫出t℃時NH3被NO氧化生成無毒氣體的熱化學方程式_______(反應(yīng)熱用a、b、e、d代數(shù)式表示)。t℃該反應(yīng)的平衡常數(shù)為_______(用K1和K2表示)。請解釋該反應(yīng)能否自發(fā)進行_______。(2)一定溫度下，將2molN2和6molH2置于1L的恒容密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H＜0。測得不同條件、不同時間段內(nèi)合成氨反應(yīng)中N2的轉(zhuǎn)化率，數(shù)據(jù)如下：1小時2小時3小時4小時T130%50%80%80%T235%60%ab①上表中T1_______T2(“＞”“＜”或“=”表示)，其中a、b、80%三者的大小關(guān)系是_______(用含“＞”“＜”或“=”的關(guān)系式表示)。②研究表明，合成氨的速率與相關(guān)物質(zhì)的濃度關(guān)系為v=，k為速率常數(shù)