第四节 化学反应的调控
课后·训练提升
基础巩固
1.合成氨工业中既能增大反应速率,又能提高氨的产率的方法是( )。
①减小压强 ②增大压强 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥分离出NH3后的N2、H2加压后输入合成塔 ⑦加催化剂
A.①④⑤⑦ B.③⑤
C.②⑥ D.②③⑥⑦
答案:C
解析:合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的特点为可逆、放热、气体体积减小。要使平衡向正反应方向移动且反应速率增大,可以增大压强或反应物浓度。
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
研究 结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响
图示
研究 结果 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。
3.一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比为1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较( )。
A.a大 B.b大
C.a、b一样大 D.无法判断
答案:A
解析:先假设a容器开始时也保持容积不变,达到平衡时,容器a中N2的转化率α(a)与容器b中N2的转化率α(b)相等,即α(a)=α(b)。但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强,必须缩小容器a的容积,则平衡正向移动。因此再达平衡时,N2的转化率α1(a)变大了。即α1(a)>α(a),则α1(a)>α(b)。
4.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.缩小容器容积,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;缩小容器容积即增大压强,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。
5.德国化学家哈伯因发明用氮气和氢气合成氨的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。下列所示是哈伯法的流程图,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操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动,提高转化率。
6.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M变为N时,平衡常数K(M)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M到状态N,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。
7.某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是( )。
A. B.
C. D.
答案:A
解析:设起始时H2为a mol、N2为b mol,平衡时NH3为x mol,则
3H2 + N2 2NH3
起始/mol a b 0
平衡/mol a- b- x
依题意可得:×100%=25%
化简得:
解得:,即反应后减小的气体的物质的量与原反应物的总物质的量之比为。根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比为。
8.在反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中,当恒温恒压条件下t1时刻分离出NH3时,下列说法正确的是( )。
A.t1时刻后的速率变化如图所示
B.t1时刻后达到新平衡前Q>K
C.新平衡体系中NH3的含量增大
D.N2的平衡转化率增大
答案:D
解析:分离出NH3,使体系中NH3的含量减小,则达到新平衡前Qv逆,平衡向正反应方向移动,故N2的平衡转化率增大。
9.2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔化学奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1,在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)。
化学吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*
表面反应:N*+H*NH*;NH*+H*NH2*;
NH2*+H*NH3*
脱附:NH3*NH3(g)
其中,N2吸附分解反应活化能高、速率小,决定了合成氨的整体反应速率。请回答下列问题。
(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773 K,压强3.0×107 Pa,原料中N2和H2的物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由:
、 。
(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是 (填字母)。
A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率
C.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂“中毒”
答案:(1)AD
(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率 N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,适度过量有利于提高整体反应速率
(3)ACD
解析:(1)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,低温有利于平衡正向移动,提高平衡产率,A项正确、B项错误;低压平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,C项错误、D项正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高平衡产率,E项错误。
(3)N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体分子数减小的放热反应,该反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A项正确;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C项正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得到的,原料气须经过净化处理,以防止催化剂“中毒”,D项正确。
能力提升
1.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),在400 ℃、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是( )。
A.正反应速率:MB.点P处反应达到平衡
C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,n(H2)比图中Q点的n(H2)大
答案:D
解析:由图可以看出, N2与H2反应生成NH3,点M处比点N处的n(H2)大,点M处的正反应速率大,A项错误;P点处n(NH3)=n(H2),还没有达到平衡,B项错误;t1时已经达到平衡,点Q(t1时刻)处和点R(t2时刻)处n(N2)相同,C项错误;500 ℃高于400 ℃,升温,平衡逆向移动,t1时刻n(H2)在500 ℃时比在400 ℃时的大,D项正确。
2.CH4—CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2),有利于缓解温室效应,其主要反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247 kJ·mol-1,同时存在以下反应:CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH=+75 kJ·mol-1(积碳反应),CO2(g)+C(s)2CO(g) ΔH=+172 kJ·mol-1(消碳反应),假设体系温度恒定。
积碳反应会影响催化剂的活性,一定时间内积碳量和反应温度的关系如图所示。下列说法正确的是( )。
A.高压有利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳
B.增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C.升高温度,积碳反应的化学平衡常数K1减小,消碳反应的化学平衡常数K2增大
D.温度高于600 ℃,积碳反应的化学反应速率减小,消碳反应的化学反应速率增大,积碳量减少
答案:B
解析:反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)和CH4(g)C(s)+2H2(g)均是反应前后气体分子数增大的反应,增大压强,平衡均逆向移动,可减少积碳量,但CH4的平衡转化率降低,A项错误;假设CH4的物质的量不变,增大CO2的物质的量,CO2与CH4的物质的量之比增大,对于反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),平衡正向移动,CH4的浓度减小,对于积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g),由于甲烷浓度减小,平衡逆向移动,碳含量减少,对于消碳反应CO2(g)+C(s)2CO(g),平衡正向移动,碳含量减少,综上分析,增大CO2与CH4的物质的量之比,有助于减少积碳,B项正确;平衡常数只与温度有关,积碳反应和消碳反应都是吸热反应,升高温度,平衡均正向移动,两个反应的平衡常数都增大,C项错误;根据图像,温度高于600 ℃,积碳量减少,但温度升高,体系中所有反应的反应速率都增大,D项错误。
3.甲醇-水蒸气重整制氢(SRM)是获取理想氢能源的有效方法。重整过程发生的反应如下:
反应Ⅰ:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+92 kJ·mol-1
在常压、催化剂下,向密闭容器中充入1 mol CH3OH和1.2 mol H2O的混合气体,t时刻测得CH3OH转化率及CO、CO2的选择性随温度的变化情况如图所示(曲线a为CO2的选择性),下列说法正确的是( )。
A.曲线b为CO的选择性
B.图中270 ℃时,容器中的H2(g)约为2.744 mol
C.选择300 ℃作为反应温度比较适宜
D.选用CO2选择性较高的催化剂有利于提高CH3OH的平衡转化率
答案:B
解析:从图中可知,270 ℃时,CO2的选择性为80%,则CO的选择性为20%,故曲线c为CO的选择性,A项错误;从图中可知,270 ℃时,甲醇的转化率为98%,CO、CO2的选择性分别为20%和80%,由反应可知容器中H2(g)约为1 mol×98%×(20%×2+80%×3)=2.744 mol,B项正确;从图中可知260 ℃时甲醇转化率已经很大,且二氧化碳的选择性较大,故选择260 ℃作为反应温度比较适宜,C项错误;催化剂无法改变CH3OH的平衡转化率,D项错误。
4.在一定条件下,将10 mol H2和1 mol N2充入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态,则H2的转化率可能是( )。
①15% ②25% ③35% ④45%
A.①② B.③④
C.①④ D.②③
答案:A
解析:利用极值法分析。对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。为方便解题,假设N2完全转化,则消耗H2的物质的量n消耗(H2)=3n(N2)=3 mol。事实上,N2不可能完全转化,因而消耗H2的物质的量小于3 mol,故H2的最大转化率为α最大(H2)<×100%=30%,①②都有可能。
5.已知工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。改变反应条件,会使平衡发生移动。右图表示随条件改变氨气的百分含量的变化趋势。
当横坐标为压强时,变化趋势正确的是 (填字母,下同),当横坐标为温度时,变化趋势正确的是 。
答案:b a
解析:增大压强,平衡正向移动,b正确;升高温度,平衡逆向移动,a正确。
6.CO2可用来生产燃料甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1。在容积为1 L的恒容密闭容器中,充入1 mol CO2和2 mol H2,一定条件下发生上述反应,测得CH3OH(g)浓度随时间的变化如表所示:
时间/min 0 3 5 10 15
浓度/(mol·L-1) 0 0.3 0.45 0.5 0.5
(1)H2的平衡转化率为 。该条件下上述反应的平衡常数K= 。
(2)下列措施中能使平衡体系中增大且不减小化学反应速率的是 (填字母)。
A.升高温度
B.充入He(g),使体系压强增大
C.再充入1 mol H2
D.将H2O(g)从体系中分离出去
(3)当反应达到平衡时,H2的物质的量浓度为c1,然后向容器中再加入一定量H2,待反应再一次达到平衡后,H2的物质的量浓度为c2,则c1 (填“>”“<”或“=”)c2。
(4)要提高CO2的平衡转化率,可以采取的措施是 (填字母)。
A.加入催化剂
B.增大CO2的浓度
C.通入惰性气体
D.通入H2
E.分离出甲醇
(5)在使用不同催化剂时,相同时间内测得CO2的转化率随温度的变化如图所示。
则催化效果最佳的是催化剂 (填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。如果a点已经达到平衡状态,则b点的v正 (填“>”“<”或“=”)v逆,c点转化率比a点低的原因是 。
答案:(1)75% 4 (2)C (3)< (4)DE (5)Ⅰ > 该反应放热,温度升高,平衡逆向移动
解析:(1)根据表中数据,甲醇平衡时的浓度为0.5 mol·L-1,依据反应的化学方程式可知,达到平衡时,消耗氢气的浓度为0.5 mol·L-1×3=1.5 mol·L-1,氢气的平衡转化率为×100%=75%,达到平衡时c(CH3OH)=c(H2O)=0.5 mol·L-1, c(CO2)=1 mol·L-1-0.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,c(H2)=2 mol·L-1-1.5 mol·L-1=0.5 mol·L-1,平衡常数K==4。
(2)该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量减小,二氧化碳的物质的量增大,该比值减小,故A不符合题意;恒容状态下,充入He(g),体系压强增大,但各组分浓度不变,化学平衡不移动,该比值不变,故B不符合题意;再充入1 mol氢气,浓度增大,反应速率增大,增加反应物浓度,平衡向正反应方向移动,甲醇物质的量增大,二氧化碳物质的量减小,该比值增大,故C符合题意;将水蒸气从体系中分离出来,化学反应速率减小,故D不符合题意。
(3)达到平衡时,再通入氢气,虽然平衡向正反应方向移动,但氢气浓度比原平衡大,即c1(4)加入催化剂,对化学平衡移动无影响,即CO2的平衡转化率不变,故A不符合题意;增大CO2的浓度,平衡虽然向正反应方向移动,但CO2的平衡转化率降低,故B不符合题意;恒容状态下,通入惰性气体,虽然气体压强增大,但各组分浓度不变,化学平衡不移动,即二氧化碳的平衡转化率不变,故C不符合题意;通入氢气,平衡向正反应方向移动,二氧化碳平衡转化率增大,故D符合题意;分离出甲醇,平衡向正反应方向移动,二氧化碳平衡转化率增大,故E符合题意。
(5)根据题图可知,相同温度下,催化剂Ⅰ的催化效果最佳;a点达到平衡,加入催化剂,对化学平衡移动无影响,b点没有达到平衡,二氧化碳转化率增大,说明反应向正反应方向进行,即v正>v逆;a点达到平衡,c点也是平衡点,但c点温度高于a点,该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳转化率降低。
7.下表的实验数据是在不同温度和压强下,平衡混合物中NH3含量(体积分数)的变化情况。[投料V(N2)∶V(H2)=1∶3]
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)比较200 ℃和300 ℃时的数据,可判断升高温度,平衡向 (填“正反应”或“逆反应”)方向移动,正反应方向为 (填“吸热”或“放热”)反应。
(2)根据平衡移动原理,合成氨适宜的条件是 。
A.高温高压 B.高温低压
C.低温高压 D.低温低压
(3)500 ℃和30 MPa时N2的转化率为 。
(4)实际工业生产氨时,考虑浓度对化学平衡的影响,及500 ℃对反应速率的影响,还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施: 。
答案:(1)逆反应 放热
(2)C
(3)41.77%
(4)加过量N2或及时从平衡体系中移走NH3,选择合适的催化剂(如铁触媒)
解析:(1)表中数据表明:恒压时,升高温度,NH3的体积分数减小,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应。
(2)由反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,合成氨适宜条件是低温、高压,此时平衡正向移动,反应物转化率大。
(3)假设N2的用量为1 mol,H2的用量为3 mol,N2的消耗量为x mol,则:
N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g)
初始量/mol 1 3 0
转化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
得:×100%=26.4%
x≈0.417 7
α(N2)=×100%=41.77%。
(4)增大反应物浓度或减小产物浓度有利于平衡正向移动;低温时虽然有利于化学反应正向进行,但速率较小,为增大化学反应速率,500 ℃时加入合适的催化剂 (如铁触媒),既增大化学反应速率,又使铁的催化剂性能最好。
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第四节 化学反应的调控
目 标 素 养
1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。
2.知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。
3.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
4.能针对合成氨典型案例,从限度和速率等角度综合分析化学反应和化工生产条件的选择和优化。
知 识 概 览
一、合成氨反应的理论分析
1.合成氨反应的反应特点。
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)可逆性:反应为可逆反应。
(2)体积变化:正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变:ΔH < 0,熵变ΔS < 0。
(4)自发性:常温(298 K)下,ΔH-TΔS < 0,能自发进行。
2.提高合成氨反应速率和提高平衡转化率的条件比较。
3.在一定温度和压强下,反应物N2和H2的物质的量之比为 1∶3 时平衡混合气中氨的含量最高。为提高原料的利用率,可将未转化的N2和H2分离后循环使用。
微判断1 (1)合成氨反应的正反应放热,降低温度有利于反应正向进行,所以温度越低越好。( )
(2)合成氨反应中使用催化剂可增大反应速率,提高单位时间内氨的产率。( )
(3)采取最合适的生产条件,可使合成氨反应中原料的转化率达到100%。( )
(4)合成氨工业将分离氨后的原料气循环使用可提高原料的利用率。( )
×
√
×
√
二、工业合成氨的适宜条件的选择
1.选择原则。
(1)尽量增大反应物的 转化率 ,充分利用原料。
(2)选择较大的 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.工业合成氨反应的适宜条件。
(1)压强。
①适宜条件: 10 MPa~30 MPa 。
②理论依据: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,这会大大增加生产投资,降低综合经济效益。
(2)温度。
①适宜条件: 400~500 ℃ 。
②理论依据:该温度下催化剂的活性 最大 ,反应速率比较大,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:采用迅速冷却的方法,使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去;原料气循环使用,及时补充N2和H2。
②理论依据:减小生成物浓度,提高反应物的转化率。
三、化学反应的调控
影响化学反应进行的因素有两个方面,一是参加反应的物质的 组成、结构和性质 等本身因素,二是 温度、压强、浓度、催化剂 等反应条件。化学反应的调控,就是通过改变 反应条件 使一个可能发生的反应按照某一方向进行,综合考虑影响 化学反应速率 和 化学平衡 的因素。
微判断2(1)在合成氨中,为增加H2的转化率,充入的N2越多越好。( )
(2)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应,在任何温度下都可自发进行。( )
(3)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去,可提高原料的利用率。( )
(4)在工业生产条件优化时,只考虑经济性就行,不用考虑环保。
( )
×
×
√
×
(5)合成氨反应选择在400~500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。( )
√
微训练 某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) M(g) ΔH<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以提高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.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
答案:D
解析:加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低;温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低;使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率。
工业生产中选择适宜生产条件的思路
问题探究
在工业生产和生活中,人们为了达到某一目的而采取了一些有效的措施。例如,为了使炉火燃烧更旺,常常鼓入适量的空气;为了更好地保存食物,常采用冷藏或抽真空的方法;工业合成氨需要选择适当的温度、压强、催化剂等以提高生产效率。
1.为什么鼓入适量的空气会使炉火燃烧更旺
提示:增大氧气的浓度,增大反应速率。
2.工业合成氨需要从哪些方面考虑选择适当的反应条件以提高生产效率
提示:从化学反应速率和化学平衡角度考虑,同时兼顾设备、安全、经济效益、社会效益等方面。
3.工业合成氨中如何调整反应物浓度以提高氨气产量
提示:合成氨反应中,反应物的转化率并不高,如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔是很不经济的,应将分离NH3后的未转化的合成气进行循环使用,并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度,有利于合成氨反应的进行。
归纳总结
1.分析化学反应的特点:从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变三个角度分析。
2.根据反应特点具体分析外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响。
3.从化学反应速率和化学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 有利于增大反应速率的措施 有利于平衡正向移动的措施 综合分析结果
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、减小生成物浓度 不断补充反应物,及时分离出生成物
压强 增大压强(有气体参加) 反应后气体体积减小 增大压强 设备条件允许的前提下,尽量采取高压
反应后气体体积增大 减小压强 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
外界
条件 有利于增大反应速率的措施 有利于平衡正向移动的措施 综合分析结果
温度 升高温度 ΔH<0 降低
温度 兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0 升高
温度 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的适宜温度
催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂,考虑催化剂活性与温度关系
典例剖析
【例】 下列关于工业合成氨的叙述中,错误的是( )。
A.在动力、设备、材料允许的情况下,反应尽可能在高压下进行
B.温度越高越有利于工业合成氨
C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率,降低成本
D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向
移动
B
解析:合成氨的反应为放热反应,温度越高,NH3的产率越低,且温度太高会影响催化剂的催化效果。
【拓展延伸】 合成氨反应达到平衡后,加入N2,当反应重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小,对吗
答案:不对。加入N2,平衡正向移动,反应重新达到平衡后,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度也比原平衡的大。
方法归纳 选择化工生产适宜条件的分析角度
分析角度 原则要求
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、高压的能力等
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
学以致用
1.有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0。工业上为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是( )。
A.高温,高压
B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压
D.高温,高压,催化剂
答案:B
解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应,为了增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
2.在硫酸工业中,通过下列反应将SO2氧化成SO3:
2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·mol-1。(已知:催化剂是V2O5,在400~500 ℃时催化剂活性最高)下表列出了在不同温度和压强下,反应达到平衡时SO2的转化率。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)从理论上分析,为了使二氧化硫尽可能多地转化为三氧化硫,应选择的条件是 。
(2)在实际生产中,选定的温度为400~500 ℃,原因是 。
(3)在实际生产中,采用的压强为常压,原因是 。
(4)在实际生产中,通入过量的空气,原因是 。
(5)尾气中SO2必须回收,原因是 。
答案:(1)450 ℃、10 MPa (2)在此温度下,催化剂活性最高。温度较低,会使反应速率减小,达到平衡所需时间变长;温度较高,SO2转化率会降低 (3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,且采用高压时会增大对设备的要求而增大生产成本 (4)增大反应物O2的浓度,有利于提高SO2的转化率 (5)防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率(合理即可)
1.下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )。
A.铁作催化剂可增大反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动
B.升高温度可以增大反应速率,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;升高温度可以增大反应速率,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,反应速率增大,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。
2.工业合成氨的正反应是放热反应。下列关于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的图像中,错误的是( )。
答案:C
解析:合成氨的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但逆反应速率增大的程度大,A项正确;在T1时NH3的体积分数最大,达到平衡,再升高温度,平衡逆向移动,NH3的体积分数减小,B项正确;达到平衡后,温度越低,NH3的体积分数越大,C项错误;增大压强,平衡向右移动,NH3的体积分数增大,D项正确。
3.为了进一步提高合成氨的生产效率,科研中具有开发价值的是( )。
A.研制高温下活性较大的催化剂
B.寻求NH3的新来源
C.研制低温下活性较大的催化剂
D.研制耐高温高压的新型材料建造合成塔
答案:C
解析:合成氨的反应是放热反应,降低温度有利于提高合成氨的生产效率。研制低温下活性大的催化剂可改善工艺流程,降低成本,提高综合经济效益。
4.煤的液化可获得乙醇:2CO(g)+4H2(g) C2H5OH(l)+H2O(l) ΔH=-1 709.2 kJ·mol-1。下列说法正确的是( )。
A.反应物的总能量小于生成物的总能量
B.升高温度可增大活化分子的数目及有效碰撞频率,因而温度越高越利于获得乙醇
C.使用合适的催化剂、增大压强均有利于提高原料的平衡转化率
D.在绝热密闭容器中进行时,容器中温度不再改变则说明已达平衡状态
D
解析:正反应为放热反应,反应物总能量大于生成物总能量,A项错误;正反应为放热反应,则升高温度,平衡逆向移动,不利于获得乙醇,B项错误;催化剂不能使平衡移动,不能提高原料的转化率,C项错误;在绝热密闭容器中进行时,容器中温度不变,说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,D项正确。
5.Ⅰ.合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO,其反应是[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac·CO(ΔH<0)。
(1)必须除去原料气中CO的原因为 。
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液吸收CO的生产适宜条件应是 。
(3)吸收CO后的溶液经过适当处理又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液再生的生产适宜条件应是 。
Ⅱ.图1表示接触室中催化剂效率随温度变化图像,图2表示SO2的转化率α(SO2)随温度T及压强p的变化图像。你认为接触室中最合适的温度和压强是 。
图1
图2
答案:Ⅰ.(1)防止合成塔中的催化剂中毒
(2)低温、高压
(3)高温、低压
Ⅱ.450 ℃(或400~500 ℃)、101 kPa
解析:Ⅰ.(2)该反应为放热反应,且气体分子数减少,为控制条件让反应正向移动,故适宜条件为低温、高压。(3)要实现醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液再生,使平衡逆向移动即可,逆反应为吸热反应,且气体分子数增大,故适宜条件为高温、低压。Ⅱ.400~500 ℃、101 kPa时,二氧化硫的转化率已经很高,再增大压强,会增大成本,但二氧化硫转化率提高幅度不大,该温度下反应速率较快、催化剂活性最好。
