2.4 化学反应的调控（解析版）
文档属性
| 名称 | 2.4 化学反应的调控（解析版） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.2MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-07-07 15:30:23 | ||
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文档简介
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第二章 第四节 化学反应的调控
【学习目标】
1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。
2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。
3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。
【素养目标】
1．认识反应条件对化学反应速率和化学平衡的影响，能运用化学反应原理分析影响化学变化的因素，初步学会运用变量控制的方法研究化学反应。培养学生“变化观念与平衡思想”的学科素养。
2．能从宏观和微观结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
3．具有理论联系实际的观念，能依据实际条件并运用所学的化学知识和方法解决生产、生活中简单的化学问题。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：合成氨条件的选择
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
合成氨工业简要流程图：
该反应的特点：①可逆反应；②正反应为放热反应；③气体总体积缩小的反应。
结合反应方程式，可知升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等，都可以使合成氨速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度有利于提高平衡混合物中氨的含量。
合成氨温度、压强与氨的含量关系如下表：
温度/℃ 氨的含量/%
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 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
1．压强
理论和实验数据的分析均表明，合成氨时压强增大可以同时提高反应速率和转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资并可能降低综合经济效益。一般采用的压强为10～30 MPa。
2．温度
温度升高有利于提高反应速率，温度降低有利于提高反应转化率。因此，需要选择一个适宜的温度，一般采用的温度为400～500 ℃。
3．催化剂
加入催化剂可以提高反应速率，对化学平衡无影响，一般选择铁触媒作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在500 ℃左右时活性最大，这也是温度选择的原因之一。另外，为了防止杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
4．浓度
为提高平衡转化率，工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离，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。
典例1．下列关于工业合成氨的叙述正确的是( )
A．工业合成氨温度选择为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
【答案】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，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故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，故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，故D错误。
典例2．对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是( )
①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨
A．②④⑤ B．②④⑦ C．①④⑤ D．②③⑥
【答案】B
【解析】N2＋3H22NH3 ΔH<0，反应是气体体积减小的放热反应，从勒夏特列原理分析可知高温下，平衡逆向进行，反应物转化率减小，故①错误；低温条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故②正确；反应是气体体积减小的反应，低压平衡逆向进行，反应物转化率减小，故③错误；在高压条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故④正确；催化剂改变反应速率不改变化学平衡，反应物转化率不变，故⑤错误；加入氨气平衡逆向进行，转化率减小，故⑥错误；除氨减小生成物浓度，平衡正向进行，反应物转化率增大，故⑦正确。
知识点二：化学反应的调控
1．控制反应条件的目的
(1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
(2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
2．控制反应条件的基本措施
(1)控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
(2)提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
3．化工生产适宜条件选择的一般原则
条件 原则
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
4．平衡类问题需考虑的几个方面
(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。
(2)原料的循环利用。
(3)产物的污染处理。
(4)产物的酸碱性对反应的影响。
(5)气体产物的压强对平衡造成的影响。
(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。
影响化学反应进行的因素有两个方面：参加反应的物质本身因素(组成、结构、性质等)和外界条件(温度、压强、浓度、催化剂等)。化学反应的调控，就是通过改变外界条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中，要综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。
在工业生产中，常常涉及可逆反应，如合成氨工业中N2和H2的反应、硫酸工业中将SO2氧化成SO3的过程都是可逆反应。可逆反应中，反应速率和反应物转化为产物的百分率(转化率)可以通过改变反应条件加以控制。调控化学反应应从两方面考虑：化学反应速率和化学平衡。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况。综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。在化工生产中还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。
近年来，环境保护条件提升到首要考虑的因素，预处理及生产过程中产生的废气、废液、废渣情况及处理成本，往往成为是否采用该工艺的决定性因素。
典例3．接触法制硫酸生产中接触室的反应为2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ/mol，能提高SO2转化率的条件是( )
A．400～500 ℃ B．常压 C．催化剂 D．过量的空气
【答案】D
【解析】正反应为放热反应，升高温度，抑制反应向正反应方向移动，升高温度主要考虑催化剂的活性，故A错误；由平衡移动原理可知压强越大反应正向进行，二氧化硫转化率越大，但常压下二氧化硫转化率已经很大，增大压强转化率变化不大，所以采取常压，故B错误；催化剂改变化学反应速率，不改变化学平衡，不能提高二氧化硫的转化率，故C错误；过量的空气会提高二氧化硫转化率，故D正确。
典例4．2SO2＋O22SO3是工业制硫酸的一步重要反应，下列关于该反应的说法正确的是( )
A．使用催化剂能改变反应限度
B．升高体系温度能加快反应速率
C．减小SO2的浓度能加快反应的速率
D．1 mol SO2和足量的O2在一定条件下充分反应，生成1 mol SO3
【答案】B
【解析】使用催化剂，改变反应速率，不改变化学平衡，故A错误；升高温度，活化分子百分数增大，反应速率增大，故B正确；减小SO2的浓度是减少反应物浓度，反应速率减小，不能加快反应速率，故C错误；可逆反应反应物不可能完全转化，故D错误。
核心价值与学科素养
典例5．工业上主要采用氨氧化法生产硝酸，如图是氨氧化率与氨—空气混合气中氧氨比的关系。其中直线表示反应的理论值，曲线表示生产实际情况。
实际生产要将r值维持在1.7～2.2，原因是什么？
【答案】 O2太少不利于NH3的转化，r值为2.2时NH3氧化率已接近100%。
典例6．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g) 4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是________________________；氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是_____________________________________。
【答案】 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃
在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
【跟踪练习】 基础过关
1．下列不能用勒沙特列原理解释的是( )
A．实验室用排饱和食盐水的方法收集Cl2
B．硫酸工业中，使用过量的空气以提高二氧化硫的转化率
C．合成氨工业中，及时液化分离NH3，并循环利用未反应完的N2和H2
D．合成氨工业中，500℃比常温更有利于氨的合成
【答案】D
【解析】A. 氯气在水中发生Cl2+H2OH++Cl +HClO，在饱和食盐水中，Cl 浓度较大，可降低氯气的溶解度，可用勒夏特列原理解释，A项错误； B. 工业生产硫酸的过程中，存在2SO2 + O2 2SO3，使用过量的氧气，平衡向正反应方向移动，B项错误；C. 合成氨工业中，发生反应N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)，则及时液化分离NH3，并循环利用未反应完的N2和H2，均会使平衡向正向移动，可用勒夏特列原理解释，C项错误；D. 对N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；△H<0，温度越高越不利于平衡向正方向移动，但在温度角度反应速率较低，不利于反应的进行，不能用勒沙特列原理解释；采用500℃是因为该温度下催化剂的活性最高；D项正确； 答案选D。
2．下列关于化工生产的叙述中，符合目前工业生产实际的是( )
A．石油工业中，采用干馏的方法把石油分成不同沸点范围的产品
B．硝酸工业中，为了加快氨氧化的速率，通常使用铁触媒作催化剂
C．纯碱工业中，氨碱法通过氨气和二氧化碳的循环利用，提高了原料的利用率
D．合成氨工业中，采用高压条件，增大合成氨反应的平衡常数，增大原料转化率
【答案】C
【解析】 A、石油工业中，采用的是分馏的方法把石油分成不同沸点范围的产品，煤用干馏得到焦炭等物质，错误；B、硝酸工业中不用能被硝酸腐蚀的铁系催化剂，错误；C、正确；D、改变压强不能改变反应的平衡常数，错误。
3．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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在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是2×107～5×107Pa，因为在该压强下铁触媒的活性最大
【答案】B
【解析】虽然合成氨反应中N2、H2的转化率较低，但是，由于氨易液化，及时将氨液化分离，N2、H2循环使用，总体来说氨的产率还是很高的，因此答案选B。
4．如图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率采取的措施是( )
A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④
【答案】C
【解析】工业合成氨的化学方程式为N2＋3H22NH3，是可逆反应，反应后气体体积减小，反应放热；依据合成氨的流程图，其中加压，平衡向气体体积减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮气和氢气的循环使用也可提高原料的转化率。
5．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＋O22SO3 ΔH<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】反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强，有利于平衡正向移动，但由于增大压强对设备要求和动力要求很高，成本太高，效益不佳，故A错误；反应放热，为提高SO2转化率，应尽可能在较低温度下反应，但反应速率太慢，经济效益低，故B错误；工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂，还需要考虑催化剂的最佳活性温度，不一定温度越高反应速率越大，故C错误；沸腾炉流出的气体含有许多粉尘和有害气体，会导致催化剂中毒，因此必须经过净化，第一阶段反应，氧气含量下降明显，因此净化后要补充适量空气，再进入接触室，故D正确。
能力达成
6．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2 转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表（原料气各成分的体积分数为：SO2 7% O2 11% N2 82%）；
(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？ ；
(2)在大400~500℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是： ；
(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？ （填“是”或“否”），是否可以增大该反应所放出的热量？ （填“是”或“否”）；
(4)为提高SO3吸收率，实际生产中用 吸收SO3；
(5)已知：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)；△H＝－196.9kJ·mol－1，计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量 。
【答案】(1)压强一定时，温度升高时，SO2转化率下降,说明升温有利逆反应的进行，所以正反应为放热反应。
(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本。
(3)否 ； 否 ；(4)浓硫酸； (5)8.0×103t 9.83×109kJ。
【解析】(1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下（如在0.1MPa下）升高温度（如由400℃升高到500℃）时SO2的转化率降低（由99.2%降低为93.5%），即升高温度时，化学平衡向逆反应方向移动，根据平衡移动原理：升高温度化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以该反应的正反应为放热反应。
(2)根据表格中的数据可以得知：在0.1MPa（即常压1atm下）SO2的转化率已经很高，如在400℃时已达99.2%，若增大压强到10MPa（即100atm），压强增大了100倍，但是SO2的转化率值增大为99.9%，只增大了0.7%，变化不大。而且压强增大100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，既要增大成本投入，不经济。
(3)使用催化剂只能改变化学反应的速率，改变反应到达平衡的时间，由于对正反应、逆反应的速率影响因素相同，所以化学平衡不发生移动，故对SO2的转化率不产生影响；在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。
(4)从理论上讲SO3被水吸收产生硫酸，但是若用水进行吸收会形成酸雾，将影响SO3的吸收速率和效率。在生产实际中是采用98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收SO3的。
(5)1万吨98%的硫酸含H2SO4的质量：m（H2SO4)=9.8×109g。设需要SO3的质量为x，该反应产生的热量为y。
H2SO4 ～ SO3 ～ 放出的热量
98g 80g 196.9kJ
9.8×109g x y
则，解得x=8.0×103t y=9.83×109kJ。
7．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，一种工业合成氨的简易流程图如下：
(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式： 。
(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2的百分含量，又能加快反应速率的措施是________(填字母)。
a．升高温度 b．增大水蒸气浓度
c．加入催化剂 d．降低压强
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2的产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。
(3)图1表示500 ℃，60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。
(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。
(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法： ____________________________________________。
【答案】(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓
(2)a 90% (3)14.5% (4)
(5)Ⅳ 对原料气加压；分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用
【解析】(1)由题给反应信息不难写出再生反应的化学方程式为2NH4HS＋O22S↓＋2NH3·H2O。
(2)增大水蒸气浓度，平衡右移，但H2百分含量不一定提高；加入催化剂，对平衡无影响，不能提高H2百分含量；降低压强，反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了x mol。
CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)
n起始 0.2 mol 0 mol 0.8 mol
n平衡 (0.2－x)mol x mol (0.8＋x)mol
(0.2－x)＋x＋(0.8＋x)＝1.18，解得x＝0.18，αCO＝×100%＝90%。
(3)方法1：设达到平衡时N2转化了x mol。
N2(g) ＋ 3H2(g) ?? 2NH3(g)
n起始 n mol 3n mol 0
n平衡 (n－x) mol (3n－3x) mol 2x mol
×100%＝42%，x＝0.592n。
故N2的平衡体积分数＝×100%＝×100%≈14.5%。
方法2：由N2、H2按1∶3投料，N2与H2又按照1∶3发生反应，故从反应开始到反应平衡，N2和H2之比始终为1∶3。N2的平衡体积分数＝×(1－42%)＝14.5%。
(4)反应初期，NH3从无到有，在未达到平衡前，NH3物质的量是增大的，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3物质的量逐渐减小，曲线见答案。
(5)通过热交换器(步骤Ⅳ)，加热进入合成塔的原料气，同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。提高原料总转化率的方法有：①对N2、H2加压；②将产物NH3液化分离，减小生成物浓度；③将未反应的N2、H2循环使用。
8．合成氨工业、硫酸工业的生产工艺流程大致为：
合成塔和接触室中的反应分别为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H﹤0； 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H﹤0
(1)写出流程中设备的名称：B____________，X___________。
(2)进入合成塔和接触室中的气体都要进行热处理，最理想的热处理方法是_________________。
(3)采用循环操作可提高原料的利用率，下列生产中，采用循环操作的是____________（填序号）。
①硫酸工业 ②合成氨工业 ③硝酸工业
(4)工业上常用98.3％的浓硫酸吸收SO3而不用稀硫酸或水的原因是_______________________。
(5)工业生产中常用氨——酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。硫酸工业尾气中的SO2经处理可以得到一种化肥，该肥料的化学式是_____________。
【答案】(1)循环压缩机 沸腾炉
(2)逆流换热(或充分利用反应中放出的热量加热反应气)
(3)①②③
(4)由于用稀硫酸或水吸收SO3时易形成酸雾，不利于SO3吸收
(5) (NH4)2SO4
【解析】(1)为了提高原料的利用率，合成氨工业中从氨分离器分离出的N2、H2要循环使用，由于合成氨工业需要高压，所以混合气进入合成塔之前要压缩，设备B为循环压缩机；根据工业制硫酸的原理，煅烧硫铁矿应在沸腾炉中进行，设备X为沸腾炉；
(2)由于合成氨和二氧化硫的催化氧化反应都是放热反应，为了充分利用热量，进入合成塔和接触室中的气体都要进行热处理，最理想的热处理方法是逆流换热(或充分利用反应中放出的热量加热反应气)；
(3)只要在反应过程中使用的且在尾气处理器中还剩余的物质都可以循环利用，故选①②③；
(4)工业上常用98.3％的浓硫酸吸收SO3而不用稀硫酸或水的原因是：用稀硫酸或水吸收SO3时易形成酸雾，不利于SO3吸收；
(5)氨水吸收SO2后得到亚硫酸铵，亚硫酸铵与硫酸反应后得到硫酸铵和可循环使用的SO2，所得化肥的化学式为(NH4)2SO4。
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第二章 第四节 化学反应的调控
【学习目标】
1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。
2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。
3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。
【素养目标】
1．认识反应条件对化学反应速率和化学平衡的影响，能运用化学反应原理分析影响化学变化的因素，初步学会运用变量控制的方法研究化学反应。培养学生“变化观念与平衡思想”的学科素养。
2．能从宏观和微观结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
3．具有理论联系实际的观念，能依据实际条件并运用所学的化学知识和方法解决生产、生活中简单的化学问题。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：合成氨条件的选择
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
合成氨工业简要流程图：
该反应的特点：①可逆反应；②正反应为放热反应；③气体总体积缩小的反应。
结合反应方程式，可知升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等，都可以使合成氨速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度有利于提高平衡混合物中氨的含量。
合成氨温度、压强与氨的含量关系如下表：
温度/℃ 氨的含量/%
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 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
1．压强
理论和实验数据的分析均表明，合成氨时压强增大可以同时提高反应速率和转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资并可能降低综合经济效益。一般采用的压强为10～30 MPa。
2．温度
温度升高有利于提高反应速率，温度降低有利于提高反应转化率。因此，需要选择一个适宜的温度，一般采用的温度为400～500 ℃。
3．催化剂
加入催化剂可以提高反应速率，对化学平衡无影响，一般选择铁触媒作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在500 ℃左右时活性最大，这也是温度选择的原因之一。另外，为了防止杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
4．浓度
为提高平衡转化率，工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离，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。
典例1．下列关于工业合成氨的叙述正确的是( )
A．工业合成氨温度选择为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
【答案】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，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故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，故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，故D错误。
典例2．对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是( )
①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨
A．②④⑤ B．②④⑦ C．①④⑤ D．②③⑥
【答案】B
【解析】N2＋3H22NH3 ΔH<0，反应是气体体积减小的放热反应，从勒夏特列原理分析可知高温下，平衡逆向进行，反应物转化率减小，故①错误；低温条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故②正确；反应是气体体积减小的反应，低压平衡逆向进行，反应物转化率减小，故③错误；在高压条件下，平衡正向进行，反应物转化率增大，故④正确；催化剂改变反应速率不改变化学平衡，反应物转化率不变，故⑤错误；加入氨气平衡逆向进行，转化率减小，故⑥错误；除氨减小生成物浓度，平衡正向进行，反应物转化率增大，故⑦正确。
知识点二：化学反应的调控
1．控制反应条件的目的
(1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
(2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
2．控制反应条件的基本措施
(1)控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
(2)提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
3．化工生产适宜条件选择的一般原则
条件 原则
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
4．平衡类问题需考虑的几个方面
(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。
(2)原料的循环利用。
(3)产物的污染处理。
(4)产物的酸碱性对反应的影响。
(5)气体产物的压强对平衡造成的影响。
(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。
影响化学反应进行的因素有两个方面：参加反应的物质本身因素(组成、结构、性质等)和外界条件(温度、压强、浓度、催化剂等)。化学反应的调控，就是通过改变外界条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中，要综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。
在工业生产中，常常涉及可逆反应，如合成氨工业中N2和H2的反应、硫酸工业中将SO2氧化成SO3的过程都是可逆反应。可逆反应中，反应速率和反应物转化为产物的百分率(转化率)可以通过改变反应条件加以控制。调控化学反应应从两方面考虑：化学反应速率和化学平衡。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况。综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。在化工生产中还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。
近年来，环境保护条件提升到首要考虑的因素，预处理及生产过程中产生的废气、废液、废渣情况及处理成本，往往成为是否采用该工艺的决定性因素。
典例3．接触法制硫酸生产中接触室的反应为2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ/mol，能提高SO2转化率的条件是( )
A．400～500 ℃ B．常压 C．催化剂 D．过量的空气
【答案】D
【解析】正反应为放热反应，升高温度，抑制反应向正反应方向移动，升高温度主要考虑催化剂的活性，故A错误；由平衡移动原理可知压强越大反应正向进行，二氧化硫转化率越大，但常压下二氧化硫转化率已经很大，增大压强转化率变化不大，所以采取常压，故B错误；催化剂改变化学反应速率，不改变化学平衡，不能提高二氧化硫的转化率，故C错误；过量的空气会提高二氧化硫转化率，故D正确。
典例4．2SO2＋O22SO3是工业制硫酸的一步重要反应，下列关于该反应的说法正确的是( )
A．使用催化剂能改变反应限度
B．升高体系温度能加快反应速率
C．减小SO2的浓度能加快反应的速率
D．1 mol SO2和足量的O2在一定条件下充分反应，生成1 mol SO3
【答案】B
【解析】使用催化剂，改变反应速率，不改变化学平衡，故A错误；升高温度，活化分子百分数增大，反应速率增大，故B正确；减小SO2的浓度是减少反应物浓度，反应速率减小，不能加快反应速率，故C错误；可逆反应反应物不可能完全转化，故D错误。
核心价值与学科素养
典例5．工业上主要采用氨氧化法生产硝酸，如图是氨氧化率与氨—空气混合气中氧氨比的关系。其中直线表示反应的理论值，曲线表示生产实际情况。
实际生产要将r值维持在1.7～2.2，原因是什么？
【答案】 O2太少不利于NH3的转化，r值为2.2时NH3氧化率已接近100%。
典例6．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g) 4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是________________________；氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是_____________________________________。
【答案】 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃
在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
【跟踪练习】 基础过关
1．下列不能用勒沙特列原理解释的是( )
A．实验室用排饱和食盐水的方法收集Cl2
B．硫酸工业中，使用过量的空气以提高二氧化硫的转化率
C．合成氨工业中，及时液化分离NH3，并循环利用未反应完的N2和H2
D．合成氨工业中，500℃比常温更有利于氨的合成
【答案】D
【解析】A. 氯气在水中发生Cl2+H2OH++Cl +HClO，在饱和食盐水中，Cl 浓度较大，可降低氯气的溶解度，可用勒夏特列原理解释，A项错误； B. 工业生产硫酸的过程中，存在2SO2 + O2 2SO3，使用过量的氧气，平衡向正反应方向移动，B项错误；C. 合成氨工业中，发生反应N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)，则及时液化分离NH3，并循环利用未反应完的N2和H2，均会使平衡向正向移动，可用勒夏特列原理解释，C项错误；D. 对N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；△H<0，温度越高越不利于平衡向正方向移动，但在温度角度反应速率较低，不利于反应的进行，不能用勒沙特列原理解释；采用500℃是因为该温度下催化剂的活性最高；D项正确； 答案选D。
2．下列关于化工生产的叙述中，符合目前工业生产实际的是( )
A．石油工业中，采用干馏的方法把石油分成不同沸点范围的产品
B．硝酸工业中，为了加快氨氧化的速率，通常使用铁触媒作催化剂
C．纯碱工业中，氨碱法通过氨气和二氧化碳的循环利用，提高了原料的利用率
D．合成氨工业中，采用高压条件，增大合成氨反应的平衡常数，增大原料转化率
【答案】C
【解析】 A、石油工业中，采用的是分馏的方法把石油分成不同沸点范围的产品，煤用干馏得到焦炭等物质，错误；B、硝酸工业中不用能被硝酸腐蚀的铁系催化剂，错误；C、正确；D、改变压强不能改变反应的平衡常数，错误。
3．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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低
B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高
C．合成氨工业的反应温度控制在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是2×107～5×107Pa，因为在该压强下铁触媒的活性最大
【答案】B
【解析】虽然合成氨反应中N2、H2的转化率较低，但是，由于氨易液化，及时将氨液化分离，N2、H2循环使用，总体来说氨的产率还是很高的，因此答案选B。
4．如图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率采取的措施是( )
A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④
【答案】C
【解析】工业合成氨的化学方程式为N2＋3H22NH3，是可逆反应，反应后气体体积减小，反应放热；依据合成氨的流程图，其中加压，平衡向气体体积减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮气和氢气的循环使用也可提高原料的转化率。
5．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＋O22SO3 ΔH<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】反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强，有利于平衡正向移动，但由于增大压强对设备要求和动力要求很高，成本太高，效益不佳，故A错误；反应放热，为提高SO2转化率，应尽可能在较低温度下反应，但反应速率太慢，经济效益低，故B错误；工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂，还需要考虑催化剂的最佳活性温度，不一定温度越高反应速率越大，故C错误；沸腾炉流出的气体含有许多粉尘和有害气体，会导致催化剂中毒，因此必须经过净化，第一阶段反应，氧气含量下降明显，因此净化后要补充适量空气，再进入接触室，故D正确。
能力达成
6．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2 转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表（原料气各成分的体积分数为：SO2 7% O2 11% N2 82%）；
(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？ ；
(2)在大400~500℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是： ；
(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？ （填“是”或“否”），是否可以增大该反应所放出的热量？ （填“是”或“否”）；
(4)为提高SO3吸收率，实际生产中用 吸收SO3；
(5)已知：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)；△H＝－196.9kJ·mol－1，计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量 。
【答案】(1)压强一定时，温度升高时，SO2转化率下降,说明升温有利逆反应的进行，所以正反应为放热反应。
(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本。
(3)否 ； 否 ；(4)浓硫酸； (5)8.0×103t 9.83×109kJ。
【解析】(1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下（如在0.1MPa下）升高温度（如由400℃升高到500℃）时SO2的转化率降低（由99.2%降低为93.5%），即升高温度时，化学平衡向逆反应方向移动，根据平衡移动原理：升高温度化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以该反应的正反应为放热反应。
(2)根据表格中的数据可以得知：在0.1MPa（即常压1atm下）SO2的转化率已经很高，如在400℃时已达99.2%，若增大压强到10MPa（即100atm），压强增大了100倍，但是SO2的转化率值增大为99.9%，只增大了0.7%，变化不大。而且压强增大100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，既要增大成本投入，不经济。
(3)使用催化剂只能改变化学反应的速率，改变反应到达平衡的时间，由于对正反应、逆反应的速率影响因素相同，所以化学平衡不发生移动，故对SO2的转化率不产生影响；在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。
(4)从理论上讲SO3被水吸收产生硫酸，但是若用水进行吸收会形成酸雾，将影响SO3的吸收速率和效率。在生产实际中是采用98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收SO3的。
(5)1万吨98%的硫酸含H2SO4的质量：m（H2SO4)=9.8×109g。设需要SO3的质量为x，该反应产生的热量为y。
H2SO4 ～ SO3 ～ 放出的热量
98g 80g 196.9kJ
9.8×109g x y
则，解得x=8.0×103t y=9.83×109kJ。
7．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，一种工业合成氨的简易流程图如下：
(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式： 。
(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2的百分含量，又能加快反应速率的措施是________(填字母)。
a．升高温度 b．增大水蒸气浓度
c．加入催化剂 d．降低压强
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2的产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。
(3)图1表示500 ℃，60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。
(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。
(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法： ____________________________________________。
【答案】(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓
(2)a 90% (3)14.5% (4)
(5)Ⅳ 对原料气加压；分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用
【解析】(1)由题给反应信息不难写出再生反应的化学方程式为2NH4HS＋O22S↓＋2NH3·H2O。
(2)增大水蒸气浓度，平衡右移，但H2百分含量不一定提高；加入催化剂，对平衡无影响，不能提高H2百分含量；降低压强，反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了x mol。
CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)
n起始 0.2 mol 0 mol 0.8 mol
n平衡 (0.2－x)mol x mol (0.8＋x)mol
(0.2－x)＋x＋(0.8＋x)＝1.18，解得x＝0.18，αCO＝×100%＝90%。
(3)方法1：设达到平衡时N2转化了x mol。
N2(g) ＋ 3H2(g) ?? 2NH3(g)
n起始 n mol 3n mol 0
n平衡 (n－x) mol (3n－3x) mol 2x mol
×100%＝42%，x＝0.592n。
故N2的平衡体积分数＝×100%＝×100%≈14.5%。
方法2：由N2、H2按1∶3投料，N2与H2又按照1∶3发生反应，故从反应开始到反应平衡，N2和H2之比始终为1∶3。N2的平衡体积分数＝×(1－42%)＝14.5%。
(4)反应初期，NH3从无到有，在未达到平衡前，NH3物质的量是增大的，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3物质的量逐渐减小，曲线见答案。
(5)通过热交换器(步骤Ⅳ)，加热进入合成塔的原料气，同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。提高原料总转化率的方法有：①对N2、H2加压；②将产物NH3液化分离，减小生成物浓度；③将未反应的N2、H2循环使用。
8．合成氨工业、硫酸工业的生产工艺流程大致为：
合成塔和接触室中的反应分别为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H﹤0； 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H﹤0
(1)写出流程中设备的名称：B____________，X___________。
(2)进入合成塔和接触室中的气体都要进行热处理，最理想的热处理方法是_________________。
(3)采用循环操作可提高原料的利用率，下列生产中，采用循环操作的是____________（填序号）。
①硫酸工业 ②合成氨工业 ③硝酸工业
(4)工业上常用98.3％的浓硫酸吸收SO3而不用稀硫酸或水的原因是_______________________。
(5)工业生产中常用氨——酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。硫酸工业尾气中的SO2经处理可以得到一种化肥，该肥料的化学式是_____________。
【答案】(1)循环压缩机 沸腾炉
(2)逆流换热(或充分利用反应中放出的热量加热反应气)
(3)①②③
(4)由于用稀硫酸或水吸收SO3时易形成酸雾，不利于SO3吸收
(5) (NH4)2SO4
【解析】(1)为了提高原料的利用率，合成氨工业中从氨分离器分离出的N2、H2要循环使用，由于合成氨工业需要高压，所以混合气进入合成塔之前要压缩，设备B为循环压缩机；根据工业制硫酸的原理，煅烧硫铁矿应在沸腾炉中进行，设备X为沸腾炉；
(2)由于合成氨和二氧化硫的催化氧化反应都是放热反应，为了充分利用热量，进入合成塔和接触室中的气体都要进行热处理，最理想的热处理方法是逆流换热(或充分利用反应中放出的热量加热反应气)；
(3)只要在反应过程中使用的且在尾气处理器中还剩余的物质都可以循环利用，故选①②③；
(4)工业上常用98.3％的浓硫酸吸收SO3而不用稀硫酸或水的原因是：用稀硫酸或水吸收SO3时易形成酸雾，不利于SO3吸收；
(5)氨水吸收SO2后得到亚硫酸铵，亚硫酸铵与硫酸反应后得到硫酸铵和可循环使用的SO2，所得化肥的化学式为(NH4)2SO4。
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