第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
[核心素养发展目标] 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，学会通过运用变量控制反应方向，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件，形成可持续发展意识。
一、合成氨反应的限度与速率
1．合成氨反应的特点
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强
温度 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂
浓度 反应物氮气或氢气的浓度 某一反应物的浓度， 反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度
从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
(1)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( )
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低、压强越大越好( )
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率( )
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应( )
(5)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨的产率( )
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的( )
1．实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2．可逆反应：3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )
A．升高温度，减小压强，增加氮气
B．降低温度，增大压强，加入催化剂
C．升高温度，增大压强，增加氮气
D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
二、合成氨生产的适宜条件
1．工业生产中，必须从 和 两个角度选择合成氨的适宜条件。
(1)尽量增大反应物的 ，充分利用原料。
(2)选择较快的 ，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件等。
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
合成氨时不采用更高压强的理由：__________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)温度
实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
不采用低温的理由：______________________________________________________
________________________________________________________________________
(3)催化剂
①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(4)浓度
及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
(5)投料比
①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)＝1∶3时，氨的平衡体积分数最大。
②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：__________________________、
__________________________。
(6)其他：兼顾环境保护和社会效益。
3．合成氨的生产流程
1．(2024·山东德州高二检测)下列有关合成氨条件选择的说法正确的是( )
A．适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率
B．温度越高，速率越快，生产效益越好
C．使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率
D．将氨及时液化分离不利于提高氨的产率
2．(2024·扬州大学附属中学高二质检)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400～500 ℃)、高压(10～30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是( )
A．合成氨反应中采用400～500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大
B．合成氨反应中采用高压的目的主要是促进平衡向右移动
C．合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速度
D．合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应其放出的热量为46 kJ
3．在硫酸工业中，通过下列反应使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 ℃时催化效果最好)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____________________________________________
________________________________________________________________________。
4．如图为500 ℃、60.0 MPa条件下，平衡时NH3的体积分数与原料气投料比的关系。
(1)若投料比为4时，NH3的体积分数可能为图中的________点。
(2)若投料比为3时，NH3的最大体积分数为42%，计算H2的平衡体积分数：__________(写出计算过程)。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
第4课时 化学反应速率与化学平衡移动重点题型突破
一、
1．增大
2．(1)正向 不变 增大 减小 (2)①正向 降低 升高 ②相同 ③不变 增大 减小
思考交流
1．正向 增大 减小
2．向右 增大 变深
3．甲>乙＝丙>丁
二、
类型一
(1)增大反应物的浓度 正向 (2)降低温度 正向
(3)增大压强 正向 (4)使用催化剂 不
应用体验
1．A 2.C
类型二
(1)> 放热 逆向 (2)> 增大 增大 (3)> 催化剂 增大
应用体验
3．B
类型三
(1)①减小 逆向 < ②增大 正向 吸热 (2)①减小 逆向 < ②增大 正向 >
应用体验
4．C
5．(1)< 该反应的正反应为气体分子数增大的反应，其他条件相同时，减小压强，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大
(2)>(共76张PPT)
第4节
化学反应条件的优化
——工业合成氨
第2章
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核心素养
发展目标
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，学会通过运用变量控制反应方向，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。
2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件，形成可持续发展意识。
内容索引
一、合成氨反应的限度与速率
二、合成氨生产的适宜条件
课时对点练
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一
合成氨反应的限度与速率
1.合成氨反应的特点
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
一
合成氨反应的限度与速率
可逆
减小
＜
＜
＜
能
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强 _____ _____ _____
温度 _____ _____ 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂 _____ _______ _____
高压
高压
高压
高温
低温
使用
无影响
使用
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
浓度 反应物氮气或氢气的浓度 某一反应物的浓度， 反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度
从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
增大
增大
降低
(1)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
(2)在合成氨的实际生产中，温度越低、压强越大越好
(3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率
(4)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应
(5)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨的产率
(6)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的
×
√
×
×
×
×
1.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
提示 由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度、使用合适的催化剂等措施来加快反应速率。
2.可逆反应：3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是
A.升高温度，减小压强，增加氮气
B.降低温度，增大压强，加入催化剂
C.升高温度，增大压强，增加氮气
D.降低温度，增大压强，分离出部分氨
√
合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的；
合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动；增加反应物(N2)浓度或减小反应产物(NH3)浓度，会使平衡向正反应方向移动，D正确；
加入催化剂可提高反应速率，但对平衡移动无影响，B错误。
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合成氨生产的适宜条件
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二
二
合成氨生产的适宜条件
1.工业生产中，必须从 和 两个角度选择合成氨的适宜条件。
(1)尽量增大反应物的 ，充分利用原料。
(2)选择较快的 ，提高单位时间内的产量。
(3)考虑设备的要求和技术条件等。
反应速率
反应限度
转化率
化学反应速率
2.合成氨反应的适宜条件
(1)压强
目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
合成氨时不采用更高压强的理由：________________________________
___________________________________________________________________________________。
压强越大，对材料的强度和设备的
制造要求就越高，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)温度
实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
不采用低温的理由：___________________________________________
________________________________________________________________________
温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需
时间变长，这在工业生产中是很不经济的，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大
(3)催化剂
①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是_____________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________。
即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益
③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？
答案 因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程称为催化剂中毒。原料气必须经过净化。
(4)浓度
及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
(5)投料比
①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)＝1∶3时，氨的平衡体积分数最大。
②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：__________________________________________、
_____________________________________。
(6)其他：兼顾环境保护和社会效益。
N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率
适当提高N2比例，加快合成氨的反应速率
3.合成氨的生产流程
1.(2024·山东德州高二检测)下列有关合成氨条件选择的说法正确的是
A.适当增加氢气的浓度可提高氮气的平衡转化率
B.温度越高，速率越快，生产效益越好
C.使用铁触媒能提高合成氨反应的平衡转化率
D.将氨及时液化分离不利于提高氨的产率
√
适当增加氢气的浓度，促使反应正向进行，可提高氮气的平衡转化率，A正确；
合成氨是有气体参与的放热反应，温度升高，反应速率加快，但合成氨的转化率降低，B错误；
铁触媒是催化剂，不能改变反应物的平衡转化率，C错误；
将氨及时液化分离，使得平衡正向移动，有利于提高氨的产率，D错误。
2.(2024·扬州大学附属中学高二质检)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的热量。该反应通常需要在高温(400～500 ℃)、高压(10～30 MPa)条件下进行，反应过程通常采用铁触媒作为催化剂。下列说法不正确的是
A.合成氨反应中采用400～500 ℃高温主要是因为此时催化剂的活性最大
B.合成氨反应中采用高压的目的主要是促进平衡向右移动
C.合成氨反应中采用铁触媒作为催化剂可以加快反应速度
D.合成氨反应中将0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应其放出
的热量为46 kJ
√
合成氨正反应为气体体积减小的反应，增大压强化学平衡正向移动，故采用高压的条件，B正确；
合成氨的反应为可逆反应，0.5 mol氮气和1.5 mol氢气无法全部转化为1 mol氨气，放出的热量小于46 kJ，D错误。
3.在硫酸工业中，通过下列反应使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 ℃时催化效果最好)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
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________________。
450 ℃、10 MPa
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
(2)在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，原因是______________
_______________________________________________________________________________________________。
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的转化率会降低
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
(3)在实际生产中，采用的压强为常压，原因是_____________________
__________________________________________________________________________________________________________。
在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡向右移动，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
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
(4)在实际生产中，通入过量的空气，原因是_______________________
______________________。
增大反应物O2的浓度，
有利于提高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
(5)尾气中SO2必须回收，原因是__________________________________
__________________。
防止污染环境；循环利用，提高原料
的利用率(合理即可)
4.如图为500 ℃、60.0 MPa条件下，平衡时NH3的体积分数与原料气投料比的关系。
(1)若投料比为4时，NH3的体积分数可能为图中的____点。
P
(2)若投料比为3时，NH3的最大体积分数为42%，计算H2的平衡体积分数：__________________
________________________________________________________________________________
__________________________(写出计算过程)。
NH3的最大体积分数即为平衡体积分数，NH3体积分数为42%，H2、N2的体积分数之和为58%，则H2的平衡
体积分数： ×3＝43.5%
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课时对点练
对点训练
题组一 工业合成氨条件的理论分析
1.工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是
A.都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
B.都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间
C.都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响
D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而加压无此作用
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
合成氨的正反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡正向移动，也能加快反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间；加入催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，对化学平衡状态没有影响，故选C。
对点训练
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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11
12
13
14
对点训练
2.下列有关合成氨工业的说法正确的是
A.N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的
合成
B.恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C.工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D.工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
对点训练
A项，在合成氨工业中应选择一个合适的投料比[n(N2)∶n(H2)]，并不是充入的N2越多越有利于NH3的合成；
B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；
C、D项，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS<0，故在常温条件下该反应能自发进行。
对点训练
3.N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0，向容器中通入1 mol N2和3 mol H2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是
①降低温度
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A.①④ B.①② C.②③ D.③④
√
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2
3
4
5
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7
8
9
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对点训练
①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2，压强增大，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；
③增加NH3的物质的量，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低；
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，相当于体积扩大，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低。
1
2
3
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6
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14
题组二 工业合成氨的适宜条件
4.下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是
对点训练
A.①②③ B.②④⑤ C.①③⑤ D.②③④
√
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3
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对点训练
5.(2023·济南高二质检)合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述不正确的是
A.高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应
B.合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率
C.工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率
D.铁触媒的使用有利于提高合成氨单位时间内的生产效率
√
1
2
3
4
5
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对点训练
合成氨的反应为气体分子数减小的反应，增大压强有利于反应正向进行，A正确；
合成氨的反应为可逆反应，原料不能完全反应，采用循环操作，可以提高原料利用率，B正确；
合成氨的反应为放热反应，升温会使平衡逆向移动，工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高反应速率，C错误；
铁触媒为催化剂，可以大大提高反应速率，有利于提高合成氨单位时间内的生产效率，D正确。
1
2
3
4
5
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对点训练
6.诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学的研究中作出的贡献。下列说法正确的是
A.增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率
B.增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率
C.采用正向催化剂时，反应的活化能降低，使反应明显加快
D.工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越有利于提高经济
效益
1
2
3
4
5
6
7
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√
对点训练
增大催化剂的表面积只能改变反应速率，不能使平衡移动，所以氨气的产率不变，A项错误；
增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率和逆反应速率，B项错误；
催化剂可以降低反应的活化能，使活化分子的百分数增大，有效碰撞次数增加，从而加快反应速率，C项正确；
压强过高，对设备的要求高，温度越低，催化剂的活性越低，反应速率越慢，不利于提高经济效益，D项错误。
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对点训练
题组三 化学反应的调控
7.下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是
A.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气
B.工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量
C.合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强
D.合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
√
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对点训练
反应2SO2＋O2 2SO3，通入过量的空气，平衡正向移动，SO2
的转化率提高，A项不合题意；
高炉炼铁过程中发生反应：Fe2O3(s)＋3CO(g) 2Fe(s)＋3CO2(g)，达到平衡后，增加高炉的高度不能降低炼铁尾气中CO的含量，B项符合题意；
若压强过大，不仅会增大能源消耗，还会增大动力消耗，对设备的要求也高，C项不合题意；
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工业合成氨是可逆反应，原料不能完全转化为产物，采用氮气和氢气循环操作的主要目的是提高氮气和氢气的利用率，D项不合题意。
对点训练
8.已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是
A.加快通入尾气的速率 B.用石灰水替代石灰乳
C.适当补充O2 D.升高温度
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对点训练
通入尾气的速率加快，可能导致气体吸收不充分，尾气中NO和NO2去除率降低，A不符合题意；
用石灰水替代石灰乳，溶液中溶质的浓度减小，吸收效果变差，尾气中NO和NO2去除率降低，B不符合题意；
适当补充O2，可将尾气中过量的NO氧化为NO2进而被吸收，从而提高尾气中NO和NO2去除率，C符合题意；
升高温度，气体的溶解度降低，从而降低尾气中NO和NO2去除率，D不符合题意。
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9.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，提高了反应物的转化率
B.缩小容器体积，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
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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；
缩小容器体积即增大压强，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H2O(g)的浓度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。
10.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
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综合强化
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慢，
消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
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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；
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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；
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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加快，D项错误。
11.工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：CH3OH(g)＋CO(g)
HCOOCH3(g)，在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量CH3OH和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是
A.增大压强，甲醇转化率增大
B.b点反应速率：v正＝v逆
C.平衡常数：K(75 ℃)>K(85 ℃)，反应速率：
vbD.生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜
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CH3OH(g)＋CO(g) HCOOCH3(g)的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的转化率增大，故A正确；
由题图可知，温度低于83 ℃时，随着温度的升高，CO的转化率增大，83 ℃时反应达到平衡，b点时反应没有达到平衡，仍向正反应方向进行，v正>v逆，故B错误；
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由题图可知，温度高于83 ℃时，随着温度的升高，CO的转化率减小，说明升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，因此K(75 ℃)>K(85 ℃)，温度越高反应速率越大，因此反应速率：vb由题图可知，在80～85 ℃时，CO的转化率较大，且反应速率较快，因此生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜，故D正确。
综合强化
12.在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)＋3H2(g)
CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1。研究发现，反应过程中发生副反应：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) ΔH2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是
A.ΔH1＜0，ΔH2＞0
B.增大压强有利于加快合成反应的速率
C.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
D.生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率
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根据图示知，升高温度，CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)的平衡向逆反应方向移动，则ΔH1＜0；升高温度，CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)的平衡向正反应方向移动，则ΔH2＞0，A正确；
由图像可知，温度越高CH3OH的产率越低，D错误。
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13.人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch合成NH3法是以铁为主要催化剂、在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下，由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反应生成17 g NH3时放出46 kJ热量，写出该反应的热化学方程式：___________________________________________。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1
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(2)我国科学家研制出一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到350 ℃、1 MPa，该催化剂对工业生产的意义是___________________
_______________。
节能、降低生产成本
(答案合理即可)
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(3)在2 L恒容密闭容器中，按投料比 分别为1∶1、2∶1、3∶1进行反应，相同时间内测得N2的转化率与温度、投料比的关系如图所示(不考虑催化剂失活)。
①曲线Ⅰ表示投料比 ＝_____。某温度下，曲线
3∶1
Ⅰ对应反应达到平衡时N2的转化率为x，则此时混合气体中NH3的体积分数
为_____________(用含x的代数式表示)。
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N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol 1－x 3－3x 2x
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②下列有关图像的分析错误的是______(填字母)。
A.投料比越大，H2的平衡转化率越大
B.TC.T>T0，投料比一定时，升高温度，平衡向左移动
D.T>T0，投料比一定时，升高温度，反应速率减小
AD
综合强化
投料比越大，H2的平衡转化率越小，故A错误；
投料比一定时，升高温度，化学反应速率增大，故B
正确、D错误；
投料比一定时，由于该反应是放热反应，所以平衡之
后，升高温度，平衡逆向移动，故C正确。
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14.工业上，常采用氧化还原法处理尾气中的CO、NO。已知沥青混凝土可作为反应2CO(g)＋O2(g)
2CO2(g)的催化剂。如图表示在相同的恒容密闭容器中，相同起始浓度、相同反应时间段内，
使用相同质量的不同沥青混凝土(α、β型)催化时，CO的转化率与温度的关系。
(1)在a、b、c、d四点中，一定未达到平衡状态的是____。
a
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由题图可知，相同反应时间段内，随着温度的升高，CO的转化率先增大后减小，温度越高，反应速率越快，则温度较低时未达到平衡状态，达到平衡状态后随着温度的升高，
平衡发生移动。当反应达到平衡后，升高温度，CO的转化率降低，所以2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)是放热反应，a点反应未达到平衡状态。
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(2)已知c点时容器中O2浓度为0.04 mol·L－1，则50 ℃时，在α型沥青混凝土中CO转化反应
的平衡常数K＝__________ mol－1·L(用含x的代数式表示)。
综合强化
c点时，CO的转化率为x，设CO的起始浓度为a mol·L－1，可列出三段式：
2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)
起始/(mol·L－1) a 0
变化/(mol·L－1) ax ax
平衡/(mol·L－1) a(1－x) 0.04 ax
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(3)CO转化反应的平衡常数：K(a)____(填“>”
“<”或“＝”)K(c)。
>
由上述分析可知，该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小，c点温度高于a点温度，则K(a)>K(c)。
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(4)在均未达到平衡状态时，相同反应时间段内，同温下____(填“α”或“β”)型沥青混凝土中CO转化速率大。
β
由题图可知，同温下反应未达到平衡状态时，相同反应时间段内，β型沥青混凝土中CO转化率高，则其转化速率大。
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(5)e点转化率出现突变的原因可能是_________________________。
温度较高，催化剂失去活性
返回作业23 化学反应条件的优化——工业合成氨
(分值：100分)
(选择题1～8题，每小题6分，9～12题，每小题8分，共80分)
题组一 工业合成氨条件的理论分析
1．工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是( )
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
B．都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而加压无此作用
2．下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
3．N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0，向容器中通入1 mol N2和3 mol H2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是( )
①降低温度
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A．①④ B．①② C．②③ D．③④
题组二 工业合成氨的适宜条件
4．下列所示是哈伯法制氨的流程图，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
5．(2023·济南高二质检)合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述不正确的是( )
A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应
B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率
C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率
D．铁触媒的使用有利于提高合成氨单位时间内的生产效率
6．诺贝尔化学奖曾授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小关系的德国科学家格哈德·埃特尔，表彰他在固体表面化学的研究中作出的贡献。下列说法正确的是( )
A．增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率
B．增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率
C．采用正向催化剂时，反应的活化能降低，使反应明显加快
D．工业生产中，合成氨采用的压强越高，温度越低，越有利于提高经济效益
题组三 化学反应的调控
7．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是( )
A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气
B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量
C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强
D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作
8．已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是( )
A．加快通入尾气的速率 B．用石灰水替代石灰乳
C．适当补充O2 D．升高温度
9．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，提高了反应物的转化率
B．缩小容器体积，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
10.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慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少
11．工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：CH3OH(g)＋CO(g) HCOOCH3(g)，在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量CH3OH和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是( )
A．增大压强，甲醇转化率增大
B．b点反应速率：v正＝v逆
C．平衡常数：K(75 ℃)>K(85 ℃)，反应速率：vbD．生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜
12．在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1。研究发现，反应过程中发生副反应：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) ΔH2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是( )
A．ΔH1＜0，ΔH2＞0
B．增大压强有利于加快合成反应的速率
C．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
D．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率
13．人工固氮是目前研究的热点。Haber-Bosch合成NH3法是以铁为主要催化剂、在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下，由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反应生成17 g NH3时放出46 kJ热量，写出该反应的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)我国科学家研制出一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到350 ℃、1 MPa，该催化剂对工业生产的意义是________________________________________________。
(3)在2 L恒容密闭容器中，按投料比分别为1∶1、2∶1、3∶1进行反应，相同时间内测得N2的转化率与温度、投料比的关系如图所示(不考虑催化剂失活)。
①曲线Ⅰ表示投料比＝__________。某温度下，曲线Ⅰ对应反应达到平衡时N2的转化率为x，则此时混合气体中NH3的体积分数为______________(用含x的代数式表示)。
②下列有关图像的分析错误的是________(填字母)。
A．投料比越大，H2的平衡转化率越大
B．TC．T>T0，投料比一定时，升高温度，平衡向左移动
D．T>T0，投料比一定时，升高温度，反应速率减小
14．(10分)工业上，常采用氧化还原法处理尾气中的CO、NO。已知沥青混凝土可作为反应2CO(g)＋O2(g)??2CO2(g)的催化剂。如图表示在相同的恒容密闭容器中，相同起始浓度、相同反应时间段内，使用相同质量的不同沥青混凝土(α、β型)催化时，CO的转化率与温度的关系。
(1)在a、b、c、d四点中，一定未达到平衡状态的是____________。
(2)已知c点时容器中O2浓度为0.04 mol·L－1，则50 ℃时，在α型沥青混凝土中CO转化反应的平衡常数K＝________________ mol－1·L(用含x的代数式表示)。
(3)CO转化反应的平衡常数：K(a)____________(填“>”“<”或“＝”)K(c)。
(4)在均未达到平衡状态时，相同反应时间段内，同温下____________(填“α”或“β”)型沥青混凝土中CO转化速率大。
(5)e点转化率出现突变的原因可能是________。
作业23 化学反应条件的优化——工业合成氨
1．C 2.D 3.B 4.B 5.C 6.C 7.B 8.C 9.B 10.B
11．B [CH3OH(g)＋CO(g)??HCOOCH3(g)的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的转化率增大，故A正确；由题图可知，温度低于83 ℃时，随着温度的升高，CO的转化率增大，83 ℃时反应达到平衡，b点时反应没有达到平衡，仍向正反应方向进行，v正>v逆，故B错误；由题图可知，温度高于83 ℃时，随着温度的升高，CO的转化率减小，说明升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，因此K(75 ℃)>K(85 ℃)，温度越高反应速率越大，因此反应速率：vb12．D [根据图示知，升高温度，CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)的平衡向逆反应方向移动，则ΔH1＜0；升高温度，CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)的平衡向正反应方向移动，则ΔH2＞0，A正确；由图像可知，温度越高CH3OH的产率越低，D错误。]
13．(1)N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1
(2)节能、降低生产成本(答案合理即可)
(3)①3∶1 ×100% ②AD
解析 (1)17 g NH3的物质的量是＝1 mol，生成1 mol NH3时放出46 kJ热量，则生成2 mol氨气放出的热量是92 kJ，所以该反应的热化学方程式是N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1。
(3)①在相同温度下，投料比越大，氮气的转化率越高，则曲线Ⅰ表示投料比＝3∶1，设H2、N2的初始物质的量分别为3 mol、1 mol，列出三段式：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol 1－x 3－3x 2x
所以混合气体中NH3的体积分数为×100%＝×100%。②投料比越大，H2的平衡转化率越小，故A错误；投料比一定时，升高温度，化学反应速率增大，故B正确、D错误；投料比一定时，由于该反应是放热反应，所以平衡之后，升高温度，平衡逆向移动，故C正确。
14．(1)a (2) (3)> (4)β
(5)温度较高，催化剂失去活性
解析 (1)由题图可知，相同反应时间段内，随着温度的升高，CO的转化率先增大后减小，温度越高，反应速率越快，则温度较低时未达到平衡状态，达到平衡状态后随着温度的升高，平衡发生移动。当反应达到平衡后，升高温度，CO的转化率降低，所以2CO(g)＋O2(g)??2CO2(g)是放热反应，a点反应未达到平衡状态。(2)c点时，CO的转化率为x，设CO的起始浓度为a mol·L－1，可列出三段式：
2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)
起始/(mol·L－1) a 0
变化/(mol·L－1) ax ax
平衡/(mol·L－1) a(1－x) 0.04 ax
则K＝＝ mol－1·L＝ mol－1·L。
(3)由上述分析可知，该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小，c点温度高于a点温度，则K(a)>K(c)。
(4)由题图可知，同温下反应未达到平衡状态时，相同反应时间段内，β型沥青混凝土中CO转化率高，则其转化速率大。
