2.4 化学反应的调控 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1
文档属性
| 名称 | 2.4 化学反应的调控 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 126.8KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-11 10:02:47 | ||
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文档简介
2.4 化学反应的调控
【学习目标】
1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。
2.了解合成氨生产的主要流程。
3.了解工业生产条件选择的依据和原则。
4.知道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。
【自主预习】
一、合成氨反应的原理分析
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,其反应如下:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1
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 填入下表。
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
二、合成氨反应的数据分析
下表的实验数据是在不同温度、压强下,平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。
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 9.1 13.8 23.1 31.4
1.温度升高,氨的含量 ;这与速率是 的。
2.压强增大,氨的含量 ;这与速率是 的。
三、合成氨反应的条件调控
工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去
四、调控化学反应需考虑的问题
1.影响化学反应进行的因素
参加反应的物质的 、 和 等本身因素; 、 、 、 等外界条件。
2.化学反应的调控
(1)含义: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。
(2)考虑因素:考虑设备条件、安全操作、经济成本等;分析影响化学反应速率和化学平衡的因素,寻找合适的生产条件;根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
①反应限度:要考虑尽量增大反应物的 ,充分利用原料。
②反应速率:要选择较快的 ,提高单位时间内的产量。
③生产要求:要考虑设备的要求和技术条件。
【参考答案】一、增大 升高 增大 使用 提高 降低 提高 不变
二、1.降低 相矛盾 2.增大 相一致
三、10~30 MPa 400~500 ℃ 铁触媒
四、1.组成 结构 性质 温度 压强 浓度
催化剂 2.转化率 反应速率
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)在反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中,3v(H2)=2v(NH3)。 ( )
(2)合成氨反应中,5 s末v(N2)=0.5 mol·L-1·s-1时,v(NH3)=1 mol·L-1·s-1。 ( )
(3)合成氨反应在高温下能自发进行。 ( )
(4)已达平衡的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),当增大N2的浓度时,平衡向正反应方向移动,N2的转化率一定升高。 ( )
(5)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。 ( )
(6)将氨从混合气中分离,可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。 ( )
(7)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。 ( )
(8)增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。 ( )
【答案】(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)√
2.工业合成氨主要考虑哪些因素
【答案】化学反应速率、原料的利用率、单位时间内的产量、生产中的能耗、设备条件等因素。
【合作探究】
任务1：工业合成氨反应的特点及条件选择
情境导入 用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个很艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产,经历了从18世纪末到20世纪初一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展,高温、高压等工业技术条件的改善以及许多研究工作者的反复试验,德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应,终于在1914年实现了合成氨的工业化生产,满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求,因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。
问题生成
1.合成氨反应是一个可逆反应: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;合成氨反应的平衡常数K=4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。
【答案】由于ΔH-TΔS=-92.4 kJ·mol-1+298 K×198.2×10-3 kJ·mol-1·K-1<0,故298 K下合成氨反应能自发进行。
2.工业上利用反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨。相同温度下,在体积为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。
实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:
编号 起始时各物质的物质的量/mol 平衡时反应的能量变化
N2 H2 NH3
① 1 3 0 放出热量a kJ
② 2 3 0 放出热量b kJ
(1)计算容器①中反应物N2的转化率。
【答案】1 mol N2完全反应时放出的热量为92.4 kJ,①中平衡时放出热量a kJ,则反应物N2的转化率为。
(2)写出容器①中反应的化学平衡常数的计算式。
【答案】 N2 + 3H2 2NH3
初始浓度(mol·L-1) 1 3 0
转化浓度(mol·L-1)
平衡浓度(mol·L-1) 1- 3-
K==。
(3)两个容器中合成氨反应的平衡常数有什么关系
【答案】相等。
(4)比较两个容器中N2、H2的转化率的大小。
【答案】N2的转化率:①>②;H2的转化率:②>①。
3.增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好 为什么
【答案】不是。因为温度一定时,增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利,但压强越大需要的动力越大,对材料和设备的制造要求越高,一般采用的压强为10~30 MPa。
4.既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好 为什么
【答案】不是。因为从化学平衡的角度考虑,合成氨在低温时有利于平衡向生成氨的方向移动,但是温度过低时反应速率很慢,需要很长时间才能达到平衡,很不经济,所以实际生产中,一般采用的温度为400~500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
【核心归纳】
1.提高合成氨反应速率的方法
2.提高合成氨反应转化率的方法
3.工业合成氨的适宜条件
(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性,又要注意外界条件对反应影响的矛盾性;
(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性受温度的限制;
(3)既要注意理论上的需要,又要注意实际操作上的可能性。
改变 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择
增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡时混合物中NH3的产量 压强增大,有利于氨的合成,但需要的动力大,对材料、设备等的要求高,因此,工业上一般采用 1.3×107~3×107 Pa的压强
升高 温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨的温度要适宜,工业上一般采用500 ℃左右的温度(因该温度时,催化剂的活性最大)
使用催 化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动,但能缩短反应达到平衡的时间,工业上一般选用铁触媒作催化剂
4.合成氨的生产流程
【典型例题】
【例1】在合成氨时,既要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有( )。
①增大反应装置体积使压强减小 ②减小反应装置体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容下,再充入等量的N2和H2 ⑥恒温恒压下,再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A.①④⑤⑦
B.②③④⑤⑦⑧
C.②⑤
D.②③⑤⑥⑧
【答案】C
【解析】要使氨的产率增大,就要使平衡右移,增大压强、降低温度、增大N2和H2的浓度和及时分离产生的NH3均可达到目的;要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度和使用正催化剂均可达到目的。
【例2】氨是化肥生产工业的重要原料。反应原理为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),其生产条件需要高温高压。近年来电催化氮气合成氨因节能、环境友好等优势,受到广泛关注,下列有关合成氨反应的说法正确的是( )。
A.该反应的ΔH>0、ΔS<0
B.将氨气及时液化分离可增大化学反应速率
C.当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,反应达到平衡状态
D.提高体系的压强可增大反应的化学平衡常数
【答案】C
【解析】A项,由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,该反应是一个化合反应,为放热反应,ΔH<0,该反应是一个气体体积减小的反应,ΔS<0,错误;B项,将氨气及时液化分离,减小生成物浓度,平衡正向移动,反应速率减小,错误;C项,速率之比等于化学计量数之比,当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,表示正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,正确;D项,由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,提高体系的压强,平衡正向移动,但化学平衡常数只是温度的函数,温度不变,化学平衡常数不变,错误。
任务2：工业反应条件优化
【核心归纳】
1.工业反应条件的选择
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,既要考虑尽量提高反应物的转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
2.工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界 条件 有利于增大速率的条件控制 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 不需要 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) 气体体积减小 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
气体体积增大 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
【典型例题】
【例3】硫酸工业中通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-198kJ·mol-1。已知制SO3过程中催化剂是V2O5,它在400~500 ℃时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
压强 转化率 温度 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
(1)根据化学原理综合分析,从化学反应速率和原料转化率角度分析,生产中应采取的条件是 。
(2)实际生产中,选定400~500 ℃作为操作温度,其原因是 。
(3)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是 。
(4)在生产中,通入过量空气的目的是 。
【答案】(1)1×105 Pa、450 ℃、催化剂
(2)在此温度下催化剂的活性最高
(3)在常压下SO2的转化率已经很高(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,比起高压设备,得不偿失
(4)增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率
【随堂检测】
课堂基础
1.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列操作与平衡移动无关的是( )。
A.不断地将氨分离出来
B.使用催化剂
C.采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D.采用2×107~5×107 Pa的压强
【答案】B
【解析】把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,较低温度利于反应向右进行,同时该反应是气体体积减小的反应,尽可能采取高压利于正反应,A、C、D三项都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为了增大反应速率,与平衡无关。
2.下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是( )。
A.①②③ B.①③⑤ C.②④⑤ D.②③④
【答案】C
【解析】①净化干燥,不能提高原料的利用率;②加压,体积减小,平衡正向移动,原料利用率提高;③催化剂对平衡无影响,不能提高原料利用率;④液化分离,减小氨气的浓度,平衡正向移动,原料利用率提高;⑤剩余的氢气与氮气再循环,可提高原料利用率。
对接高考
3.(2019年11月浙江选考,22)已知:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-197.8 kJ·mol-1。起始反应物为SO2和 O2(物质的量之比为2∶1,且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表,下列说法不正确的是( )。
温度/K 压强/(105 Pa)
1.01 5.07 10.1 25.3 50.7
673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9
723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6
773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0
A.一定压强下降低温度,SO2的转化率增大
B.在不同温度、压强下,转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等
C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高
【答案】B
【解析】A项,由表格数据及勒夏特列原理知,针对放热反应,一定压强下降低温度,平衡正向移动,反应物SO2的转化率增大,正确;B项,由于在不同温度、压强下,化学反应速率不一定相等,故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等,错误;C项,催化剂对化学平衡移动无影响,但可以缩短到达平衡所需的时间,正确;D项,由表中数据可知,不同温度下,1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%、97.5%、93.5%,已经相当高了,且加压后转化率升高并不明显,所以没有必要通过加压提高转化率,正确。
2
【学习目标】
1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。
2.了解合成氨生产的主要流程。
3.了解工业生产条件选择的依据和原则。
4.知道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。
【自主预习】
一、合成氨反应的原理分析
工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,其反应如下:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1
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 填入下表。
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
二、合成氨反应的数据分析
下表的实验数据是在不同温度、压强下,平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。
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 9.1 13.8 23.1 31.4
1.温度升高,氨的含量 ;这与速率是 的。
2.压强增大,氨的含量 ;这与速率是 的。
三、合成氨反应的条件调控
工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去
四、调控化学反应需考虑的问题
1.影响化学反应进行的因素
参加反应的物质的 、 和 等本身因素; 、 、 、 等外界条件。
2.化学反应的调控
(1)含义: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。
(2)考虑因素:考虑设备条件、安全操作、经济成本等;分析影响化学反应速率和化学平衡的因素,寻找合适的生产条件;根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
①反应限度:要考虑尽量增大反应物的 ,充分利用原料。
②反应速率:要选择较快的 ,提高单位时间内的产量。
③生产要求:要考虑设备的要求和技术条件。
【参考答案】一、增大 升高 增大 使用 提高 降低 提高 不变
二、1.降低 相矛盾 2.增大 相一致
三、10~30 MPa 400~500 ℃ 铁触媒
四、1.组成 结构 性质 温度 压强 浓度
催化剂 2.转化率 反应速率
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)在反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中,3v(H2)=2v(NH3)。 ( )
(2)合成氨反应中,5 s末v(N2)=0.5 mol·L-1·s-1时,v(NH3)=1 mol·L-1·s-1。 ( )
(3)合成氨反应在高温下能自发进行。 ( )
(4)已达平衡的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),当增大N2的浓度时,平衡向正反应方向移动,N2的转化率一定升高。 ( )
(5)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。 ( )
(6)将氨从混合气中分离,可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。 ( )
(7)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。 ( )
(8)增大压强可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动。 ( )
【答案】(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)√
2.工业合成氨主要考虑哪些因素
【答案】化学反应速率、原料的利用率、单位时间内的产量、生产中的能耗、设备条件等因素。
【合作探究】
任务1：工业合成氨反应的特点及条件选择
情境导入 用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个很艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产,经历了从18世纪末到20世纪初一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展,高温、高压等工业技术条件的改善以及许多研究工作者的反复试验,德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应,终于在1914年实现了合成氨的工业化生产,满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求,因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。
问题生成
1.合成氨反应是一个可逆反应: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;合成氨反应的平衡常数K=4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。
【答案】由于ΔH-TΔS=-92.4 kJ·mol-1+298 K×198.2×10-3 kJ·mol-1·K-1<0,故298 K下合成氨反应能自发进行。
2.工业上利用反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨。相同温度下,在体积为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。
实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:
编号 起始时各物质的物质的量/mol 平衡时反应的能量变化
N2 H2 NH3
① 1 3 0 放出热量a kJ
② 2 3 0 放出热量b kJ
(1)计算容器①中反应物N2的转化率。
【答案】1 mol N2完全反应时放出的热量为92.4 kJ,①中平衡时放出热量a kJ,则反应物N2的转化率为。
(2)写出容器①中反应的化学平衡常数的计算式。
【答案】 N2 + 3H2 2NH3
初始浓度(mol·L-1) 1 3 0
转化浓度(mol·L-1)
平衡浓度(mol·L-1) 1- 3-
K==。
(3)两个容器中合成氨反应的平衡常数有什么关系
【答案】相等。
(4)比较两个容器中N2、H2的转化率的大小。
【答案】N2的转化率:①>②;H2的转化率:②>①。
3.增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好 为什么
【答案】不是。因为温度一定时,增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利,但压强越大需要的动力越大,对材料和设备的制造要求越高,一般采用的压强为10~30 MPa。
4.既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好 为什么
【答案】不是。因为从化学平衡的角度考虑,合成氨在低温时有利于平衡向生成氨的方向移动,但是温度过低时反应速率很慢,需要很长时间才能达到平衡,很不经济,所以实际生产中,一般采用的温度为400~500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
【核心归纳】
1.提高合成氨反应速率的方法
2.提高合成氨反应转化率的方法
3.工业合成氨的适宜条件
(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性,又要注意外界条件对反应影响的矛盾性;
(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性受温度的限制;
(3)既要注意理论上的需要,又要注意实际操作上的可能性。
改变 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择
增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡时混合物中NH3的产量 压强增大,有利于氨的合成,但需要的动力大,对材料、设备等的要求高,因此,工业上一般采用 1.3×107~3×107 Pa的压强
升高 温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨的温度要适宜,工业上一般采用500 ℃左右的温度(因该温度时,催化剂的活性最大)
使用催 化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动,但能缩短反应达到平衡的时间,工业上一般选用铁触媒作催化剂
4.合成氨的生产流程
【典型例题】
【例1】在合成氨时,既要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有( )。
①增大反应装置体积使压强减小 ②减小反应装置体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容下,再充入等量的N2和H2 ⑥恒温恒压下,再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A.①④⑤⑦
B.②③④⑤⑦⑧
C.②⑤
D.②③⑤⑥⑧
【答案】C
【解析】要使氨的产率增大,就要使平衡右移,增大压强、降低温度、增大N2和H2的浓度和及时分离产生的NH3均可达到目的;要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度和使用正催化剂均可达到目的。
【例2】氨是化肥生产工业的重要原料。反应原理为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),其生产条件需要高温高压。近年来电催化氮气合成氨因节能、环境友好等优势,受到广泛关注,下列有关合成氨反应的说法正确的是( )。
A.该反应的ΔH>0、ΔS<0
B.将氨气及时液化分离可增大化学反应速率
C.当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,反应达到平衡状态
D.提高体系的压强可增大反应的化学平衡常数
【答案】C
【解析】A项,由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,该反应是一个化合反应,为放热反应,ΔH<0,该反应是一个气体体积减小的反应,ΔS<0,错误;B项,将氨气及时液化分离,减小生成物浓度,平衡正向移动,反应速率减小,错误;C项,速率之比等于化学计量数之比,当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,表示正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,正确;D项,由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,提高体系的压强,平衡正向移动,但化学平衡常数只是温度的函数,温度不变,化学平衡常数不变,错误。
任务2：工业反应条件优化
【核心归纳】
1.工业反应条件的选择
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,既要考虑尽量提高反应物的转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
2.工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界 条件 有利于增大速率的条件控制 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 不需要 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) 气体体积减小 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
气体体积增大 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
【典型例题】
【例3】硫酸工业中通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-198kJ·mol-1。已知制SO3过程中催化剂是V2O5,它在400~500 ℃时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
压强 转化率 温度 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
(1)根据化学原理综合分析,从化学反应速率和原料转化率角度分析,生产中应采取的条件是 。
(2)实际生产中,选定400~500 ℃作为操作温度,其原因是 。
(3)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是 。
(4)在生产中,通入过量空气的目的是 。
【答案】(1)1×105 Pa、450 ℃、催化剂
(2)在此温度下催化剂的活性最高
(3)在常压下SO2的转化率已经很高(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,比起高压设备,得不偿失
(4)增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率
【随堂检测】
课堂基础
1.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列操作与平衡移动无关的是( )。
A.不断地将氨分离出来
B.使用催化剂
C.采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D.采用2×107~5×107 Pa的压强
【答案】B
【解析】把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,较低温度利于反应向右进行,同时该反应是气体体积减小的反应,尽可能采取高压利于正反应,A、C、D三项都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为了增大反应速率,与平衡无关。
2.下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是( )。
A.①②③ B.①③⑤ C.②④⑤ D.②③④
【答案】C
【解析】①净化干燥,不能提高原料的利用率;②加压,体积减小,平衡正向移动,原料利用率提高;③催化剂对平衡无影响,不能提高原料利用率;④液化分离,减小氨气的浓度,平衡正向移动,原料利用率提高;⑤剩余的氢气与氮气再循环,可提高原料利用率。
对接高考
3.(2019年11月浙江选考,22)已知:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-197.8 kJ·mol-1。起始反应物为SO2和 O2(物质的量之比为2∶1,且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表,下列说法不正确的是( )。
温度/K 压强/(105 Pa)
1.01 5.07 10.1 25.3 50.7
673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9
723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6
773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0
A.一定压强下降低温度,SO2的转化率增大
B.在不同温度、压强下,转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等
C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高
【答案】B
【解析】A项,由表格数据及勒夏特列原理知,针对放热反应,一定压强下降低温度,平衡正向移动,反应物SO2的转化率增大,正确;B项,由于在不同温度、压强下,化学反应速率不一定相等,故转化相同物质的量的SO2所需要的时间不一定相等,错误;C项,催化剂对化学平衡移动无影响,但可以缩短到达平衡所需的时间,正确;D项,由表中数据可知,不同温度下,1.01×105Pa(常压)下SO2的转化率分别为99.2%、97.5%、93.5%,已经相当高了,且加压后转化率升高并不明显,所以没有必要通过加压提高转化率,正确。
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