第四节 化学反应的调控
【新课探究】
学习任务
课前自主预习
2.可逆 减小 < < 能
3.(1)升高 增大 增大 使用催化剂 (2)降低 增大 增大
[问题思考] (1)提示:不是。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,对材料的强度和设备的制造要求越高,这将会大大增加生产投资,一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。
(2)提示:温度降低会使反应速率减小,达到平衡所需的时间变长,这在工业生产中是很不经济的。另外,合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右最大。
(3)提示:为了加快反应速率,采用以铁为主体的多成分催化剂。
知识迁移应用
例1 C [解析] 由于合成氨的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是可逆反应,反应物只能部分转化成氨气,则通过采用循环操作,大大提高了原料氮气、氢气的利用率,C正确。
例2 B [解析] 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)为可逆反应,未参与反应的SO2可循环利用,A错误;由表知,在相同压强下,升高温度,SO2的平衡转化率减小,则2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)为放热反应,B正确;吸收塔中98.3%H2SO4是为了吸收SO3,不体现强氧化性,C错误;450 ℃时,0.1 MPa和10 MPa两条件下SO2的平衡转化率相差不大,但10 MPa压强大,对动力和设备要求高,则实际生产中,接触室中应采用温度450 ℃,压强0.1 MPa的生产条件,D错误。
【课堂评价】
1.(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)×
[解析] (1)工业合成氨的反应是放热反应,熵变小于零,因此高温不能自发进行。
(2)从合成塔出来的混合气体中,NH3只占15%,说明经过液化后氨气的体积分数比较小,不能说明氨的产率很低。
(4)铁触媒作催化剂可加快反应速率,但不能改变化学平衡移动方向和转化率。
(5)反应需在300 ℃下进行,不能决定该反应是放热反应还是吸热反应。
2.C [解析] 增大压强,平衡向合成NH3的方向移动,但压强过大对设备的要求比较大,会增加生产投资,A正确;催化剂通过降低反应的活化能,提高反应速率,B正确;合成氨的反应为放热反应,温度越高, 平衡逆向移动,不利于提高反应物的平衡转化率,C错误;根据勒夏特列原理,减少生成物浓度,平衡正向移动,D正确。
3.(1)N2、H2 循环利用N2、H2,提高原料的利用率
(2)AD (3)①0.08 mol·L-1·min-1 75% ②< ③否 >
[解析] (1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)为可逆反应,氮气、氢气不能完全转化为氨气,冷凝器中氨气液化,分离出液氨后剩余原料气N2、H2循环利用,有利于提高原料的利用率,X的主要成分是N2、H2。
(2)合成氨反应放热,降低温度,平衡正向移动;合成氨反应的气体化学计量数之和减小,增大压强,平衡正向移动;催化剂对平衡无影响,有利于提高合成氨平衡产率的条件为低温、高压。
(3)T ℃时,若在容积为2 L的恒容密闭容器中充入0.8 mol N2(g)和1.6 mol H2(g),5 min后达到平衡,测得N2的浓度为0.2 mol·L-1,则此段时间内消耗0.4 mol N2,根据反应方程式可知,反应消耗1.2 mol H2,生成0.8 mol NH3。
①反应速率v(NH3)==0.08 mol·L-1·min-1,H2的转化率为×100%=75%。
②已知300 ℃时K=0.86, (3)中KT==100,正反应放热,温度越高平衡常数越小,则反应温度T<300。
③若向平衡后的体系中同时加入1.2 mol N2、1.6 mol H2、
1.2 mol NH3,Q==1.25v逆。第四节 化学反应的调控
1.C [解析] 对于放热反应,低温有利于提高反应物的转化率,A错误;升高温度,正、逆反应速率均增大,B错误;在500 ℃左右时,铁触媒催化剂的活性最高,可以加快反应速率,C正确;升高温度,合成氨反应的平衡常数减小,D错误。
2.A [解析] 合成氨反应是放热反应,根据勒夏特列原理,升高温度,平衡向逆反应方向移动,氨气的浓度减小,故室温比500 ℃左右更有利于合成氨的反应,A错误;合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素,因为压强大,反应速率快,有利于合成氨,但是压强太高,对仪器设备要求也高,压强过低,反应速率慢,不利于合成氨,B正确;将混合气体中的氨液化,减小了生成物的浓度,促进合成氨反应的平衡正向移动,有利于合成氨,C正确;催化剂能降低反应的活化能,D正确。
3.B [解析] 原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生,A正确;合成氨一般选择400~500 ℃进行,主要是让铁触媒的活性最大,反应速率增大,温度升高,该反应的平衡转化率降低,B错误;热交换将氨气的热量传递给N2和H2,目的是预热原料气,同时对合成的氨气进行降温有利于液化分离,C正确;新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别从400~500 ℃、10 MPa~30 MPa降到了350 ℃、1 MPa,显著降低合成氨的能耗,D正确。
4.C [解析] 理论上高压、低温能使SO2的催化氧化平衡正向移动,使SO2尽可能多地转化为SO3,A正确;反应为气体分子数减小的反应,增大压强平衡正向移动,从理论上分析,选择高压,但常压下的转化率已经很高了,继续增大压强,虽然SO2的平衡转化率会提高,但不明显,且会增加设备成本,增大投资和能量消耗,在实际生产中,为了降低成本采用常压条件,B正确;低温下化学反应速率较慢,考虑生产效率问题,温度并不是越低越好,通常选用400~500 ℃,C错误;尾气中含有SO2,为防止空气污染,SO2需回收处理,D正确。
5.C [解析] 由循环图看出,铁是合成氨的催化剂,但催化剂不影响平衡移动,A错误;使用催化剂能降低活化能,但不改变反应的ΔH,B错误;合成氨是放热反应,较低的反应温度有利于提高氮气的转化率及氨气的产率,C正确;合成氨是放热反应,较高温度虽会提高反应速率,但会降低氨气的产率,D错误。
6.A [解析] 由图可知,温度相同时,溶液pH减小,亚铁离子被氧气氧化的氧化率增大;溶液pH相同时,升高温度,亚铁离子被氧气氧化的氧化率增大,说明降低pH、升高温度有利于提高亚铁离子的氧化率,故A正确。由图可知,溶液pH相同时,升高温度,亚铁离子被氧气氧化的氧化率增大,故B错误。亚铁离子的氧化率不仅和温度、pH有关,还与离子的浓度等其他因素有关,故C错误。由图可知,温度相同时,溶液pH减小,亚铁离子被氧气氧化的氧化率增大,故D错误。
7.(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正确、B错误;低压促进平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,高压促进平衡正向移动,有利于提高平衡产率,C错误、D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错误。
(2)原料气中N2相对易得,增加氮气的量有利于提高H2的转化率;N2的吸附分解是决定反应速率的步骤,氮气适度过量有利于提高整体反应速率。
(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,该反应的ΔS小于零,A正确;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,总体积增大,相当于减压,平衡逆向移动,不能提高反应物平衡转化率,B错误;NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C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,H2是通过天然气和水蒸气转化得到的,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和发生安全事故,D正确。
8.(1)减小压强 升高温度(或及时移出生成物)
(2)15 (3)ΔH3-2ΔH4 (4)①AB ②BNOH
[解析] (1)C2H6(g)C2H4(g)+H2(g) ΔH1>0,该反应是气体分子数增大的吸热反应,提高乙烷平衡转化率的措施有减小压强、升高温度或及时移出生成物。
(2)一定温度下,向恒容密闭容器通入等物质的量的C2H6和H2,假设都为1 mol,发生上述反应,乙烷的平衡转化率为20%,根据三段式得
该反应的平衡常数Kp==15 kPa。
(3)根据盖斯定律,反应b减去反应c的2倍得到反应a,则ΔH2=ΔH3-2ΔH4。
(4)①从C2H6的转化率不断增大分析,反应都未达到平衡,且C2H6转化率增大幅度大于C2H4在含碳产物中百分数减小幅度,所以C2H4产率随温度升高而增大,A正确;因为反应未达平衡,在三个反应中,随温度升高,反应物的转化率都增大,生成水的量都增大,因此H2O的含量随温度升高而增大,B正确;根据图中信息C2H6转化率增大,则C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而降低,C错误;因为反应并未达到平衡,图中信息仅显示相同时间内CO的百分含量,没有显示不同温度下CO的平衡产率,所以不能说明该催化剂在较低温度下降低CO的平衡产率,D错误。②起初反应时,BNOH先与O2反应,生成BNO·和HO2·,生成的BNO·再与C2H6反应,重新生成BNOH,则表明BNOH为催化剂。第四节 化学反应的调控
◆ 学习任务 化学反应的调控
【课前自主预习】
合成氨反应条件的原理分析
1.反应原理
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-92.4 kJ·mol-1
2.反应特点
3.影响因素
(1)增大合成氨反应速率的措施: 温度、 压强、 反应物浓度、 等。
(2)提高平衡混合气体中氨含量的措施: 温度、 压强、 反应物浓度等。
[问题思考]
(1)既然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
(2)合成氨采用低温时可提高平衡转化率,但为何未采用更低的温度
(3)在合成氨工业中要使用催化剂,既然催化剂对化学平衡的移动没有影响,为什么还要使用呢
【核心知识讲解】
1.化学反应调控的实例——工业合成氨
(1)反应条件的选择
反应 条件 对化学反应 速率的影响 对平衡混合 物中氨含量 的影响 合成氨条 件的选择
增大 压强 增大反应速率 平衡正向移动,平衡混合物中氨的含量提高 压强增大,有利于氨的合成,但需要动力大,对材料、设备的要求高,故采用10 MPa~ 30 MPa的高压
升高 温度 增大反应速率 平衡逆向移动,平衡混合物中氨的含量降低 温度要适宜,既要保证反应有较快的速率,又要使反应物的转化率不能太低,故采用400~500 ℃的温度,并且在该温度下催化剂的活性最大
使用 催化剂 增大反应速率 没有影响 工业上一般选用铁触媒作催化剂(以铁为主体的多成分催化剂)
(2)综上,工业上通常采用铁触媒、在400~500 ℃和10 MPa~30 MPa的条件下合成氨。
(3)采用迅速冷却的方法,使气态氨变成液态氨后及时从平衡混合物中分离出去,以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。
(4)原料气的充分利用
合成氨反应的转化率较低,从原料充分利用的角度分析,工业生产中可将NH3分离后的原料气循环使用,以提高原料的利用率。
2.工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界 条件 有利于加快速率 的条件控制 有利于平衡移动 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 不断补充反应物,且及时分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂
(续表)
外界 条件 有利于加快速率 的条件控制 有利于平衡移动 的条件控制 综合分析 结果
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,尽量采取高温并选取适宜的催化剂
压强 高压 (有气体参加) ΔVg<0 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
ΔVg>0 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
3.工业反应条件优化的解题思路
(1)抓住反应特点:热效应ΔH<0或ΔH>0、反应前后气体体积变化ΔVg<0或ΔVg>0。
(2)运用平衡规律:把外界条件对化学反应速率及化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。
(3)准确分析数据:结合测定反应实验数据,准确分析反应条件,解决化学反应的调控。
【知识迁移应用】
例1 [2024·天津河西区高二期中] 合成氨工业中采用了物质循环操作,主要的目的是 ( )
A.降低氨的沸点
B.增大化学反应速率
C.提高N2和H2的利用率
D.提高平衡混合物中氨的含量
[归纳总结]
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发生反应是很不经济的,应将NH3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,以利于合成氨反应。
例2 [2024·广东广州天河区高二期末] 工业制备硫酸的生产过程及相关信息如下。下列有关说法正确的是 ( )
温度/℃ 不同压强下接触室中SO2的平衡转化率/%
0.1 MPa 10 MPa
450 97.5 99.7
550 85.6 97.7
工艺流程
A.循环利用的物质是SO3
B.2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)为放热反应
C.吸收塔中98.3%H2SO4表现强氧化性
D.实际生产中,接触室中应采用温度450 ℃,压强10 MPa的生产条件
[归纳总结] 化工生产适宜条件的选择
影响化学反应进行的因素有两个方面,首先是参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素,其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
1.化工生产适宜条件选择的一般原则
(1)从化学反应速率分析,既不能过快,又不能太慢。
(2)从化学平衡移动分析,既要注意外界条件对反应速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。
(3)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。
(4)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压能力等。
(5)从催化效率分析,注意催化剂的活性对温度的限制。
2.平衡类问题需综合考虑的几个方面
(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。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)工业合成氨的反应是放热反应,任何温度下都能自发进行 ( )
(2)从合成塔出来的混合气体中,NH3只占15%,所以氨的产率很低 ( )
(3)氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说合成氨的产率很高 ( )
(4)铁触媒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 ( )
(5)在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:2CO2(g)+6H2(g)
CH3CH2OH(g)+3H2O(g),该反应需在300 ℃下进行,可推测该反应是吸热反应 ( )
2.下列关于工业合成氨的叙述错误的是 ( )
A.合成氨没有选择更大的压强是因为压强过大会增加生产投资,降低综合经济效益
B.使用铁触媒能降低反应的活化能,使反应物在较低温度时能较快地发生反应
C.工业合成氨采用温度为400~500 ℃是因为升高温度有利于提高反应物的平衡转化率
D.及时从反应体系中分离出液化的氨气有利于平衡向正反应方向移动
3.合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。合成氨的简要流程和反应方程式如下:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0
(1)图中X的主要成分是 ,这样操作的目的是 。
(2)有利于提高合成氨平衡产率的条件为 。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压
E.催化剂
(3)T ℃时,若在容积为2 L的恒容密闭容器中充入0.8 mol N2(g)和1.6 mol H2(g),5 min后达到平衡,测得N2的浓度为0.2 mol·L-1。
①计算此段时间的反应速率v(NH3)= ,H2的转化率为 。
②已知300 ℃时K=0.86,则(3)中的反应温度T (填“>”“<”或“=”)300。
③若向平衡后的体系中同时加入1.2 mol N2、
1.6 mol H2、1.2 mol NH3,该反应是否处于平衡状态 (填“是”或“否”),此时v正
(填“>”或“<”或“=”)v逆。 第四节 化学反应的调控
◆ 学习任务 化学反应的调控
1.[2025·辽宁名校联盟高二联考] 工业上用H2和N2合成氨的反应是放热反应,在合成氨的实际生产中,温度通常控制在500 ℃左右。这是因为 ( )
A.高温有利于提高反应物的平衡转化率
B.高温能使逆反应速率减慢
C.在该温度范围内催化剂活性最强
D.在该温度下反应的平衡常数最大
2.[2024·天津河北区高二期中] 下列关于合成氨工业说法不正确的是 ( )
A.根据勒夏特列原理,500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
B.合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素
C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
D.铁触媒催化剂降低了反应的活化能
3.氨对发展农业有着重要意义,也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意图如下。
下列说法不正确的是 ( )
A.原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生
B.合成氨一般选择400~500 ℃进行,主要是让铁触媒的活性最大,平衡转化率高
C.热交换的目的是预热原料气,同时对合成的氨气进行降温有利于液化分离
D.新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa,显著降低合成氨的能耗
4.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 = -199.6 mol·L-1。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。下列说法错误的是 ( )
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
A.理论上,高压低温能使SO2尽可能多地转化为SO3
B.实际生产中考虑到对设备的要求,通常采用常压条件即可
C.该反应为放热反应,所以为了保证产率,工业生产中温度越低越好
D.尾气中的SO2必须回收,以减少空气污染
5.合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 mol·L-1。最近,科研人员合作研究,提出基于机械化学(“暴力”干扰使铁活化)在较温和的条件下由氮气合成氨的新方案(过程如图所示),利用这种方案所得氨的体积分数平衡时可高达82.5%。下列说法正确的是 ( )
A.该方案所得氨的含量高,主要是因为使用了铁作催化剂
B.采用该方案生产氨气,活化能和ΔH均减小
C.该方案氨的含量高,与反应温度较低有关
D.为了提高氨气的产率,应尽量采取较高温度提高化学反应速率
6.为了研究一定浓度Fe2+的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率,实验结果如图所示,判断下列说法正确的是 ( )
A.实验说明降低pH、升高温度有利于提高Fe2+的氧化率
B.温度越高,氧化率越小
C.Fe2+的氧化率仅与溶液的pH和温度有关
D.pH越小,氧化率越小
7.(10分)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的催化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*N;N+H*N。
脱附:NNH3(g)。
其中,N2的吸附分解反应活化能高、反应速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答下列问题:
(1)(2分)有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)(6分)实际生产中,常用铁触媒作催化剂,控制温度为773 K左右,压强为3.0×107 Pa左右,原料气中N2和H2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)(2分)关于合成氨工艺的说法,正确的是 (填字母)。
A.合成氨反应在298 K、101 kPa下的ΔS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,有利于提高反应物平衡转化率
C.NH3易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行
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,以防止催化剂中毒和发生安全事故
8.(12分)[2024·广东松湖莞中、深大附中高二月考] 乙烯是石油化工最基本原料之一。
Ⅰ.乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯:C2H6(g)C2H4(g)+H2(g) ΔH1>0。
(1)(4分)提高乙烷平衡转化率的措施有 、 。
(2)(2分)一定温度下,向恒容密闭容器通入等物质的量的 C2H6和H2,发生上述反应,平衡时乙烷的转化率为 20%,体系总压强为110 kPa ,该反应的平衡常数Kp= kPa (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
Ⅱ.在乙烷中引入 O2可以降低反应温度,减少积碳。涉及如下反应:
a.2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g) ΔH2<0
b.2C2H6(g)+5O2(g)4CO(g)+6H2O(g) ΔH3<0
c.C2H4(g)+2O2(g)2CO(g)+2H2O(g)
ΔH4<0
(3)(2分)根据盖斯定律,反应a的ΔH2= (写出代数式)。
(4)常压下,在某催化剂作用下按照 n(C2H6)∶
n(O2)=1∶1投料制备乙烯,体系中C2H4和CO在含碳产物中的物质的量百分数及C2H6转化率随温度的变化如图所示。
①(2分)在570~600 ℃温度范围内,下列说法正确的有 (填字母)。
A.C2H4产率随温度升高而增大
B.H2O 的含量随温度升高而增大
C.C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而增大
D.此催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率
②(2分)某学者研究了生成 C2H4的部分反应历程如图所示,该历程的催化剂是 。 (共82张PPT)
第四节 化学反应的调控
学习目标 素养目标
1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化，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 【变化观念与平衡思想】 能运用化学反应速率和化学平衡的规律分析说明生产、生活实际中的化学变化。
【证据推理与模型认知】 通过对表格、图像的处理，能对问题情境中的关键要素进行分析并建构相应的模型，能运用模型解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律
学习目标 素养目标
2.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值 【科学态度与社会责任】 具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学反应原理对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断
续表
学习任务 化学反应的调控
学习任务 化学反应的调控
【课前自主预习】
合成氨反应条件的原理分析
1.反应原理
2.反应特点
可逆
减小
能
3.影响因素
(1)增大合成氨反应速率的措施：______温度、______压强、______
反应物浓度、____________等。
(2)提高平衡混合气体中氨含量的措施：______温度、______压强、
______反应物浓度等。
升高
增大
增大
使用催化剂
降低
增大
增大
［问题思考］
(1)既然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？
提示：不是。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，对材料的强度和设备的
制造要求越高，这将会大大增加生产投资，一般采用的压强为
。
(2)合成氨采用低温时可提高平衡转化率,但为何未采用更低的温度
提示：温度降低会使反应速率减小,达到平衡所需的时间变长,这在工
业生产中是很不经济的。另外,合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在
左右最大。
(3)在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没
有影响，为什么还要使用呢？
提示：为了加快反应速率，采用以铁为主体的多成分催化剂。
【核心知识讲解】
1.化学反应调控的实例——工业合成氨
(1)反应条件的选择
反应条件 对化学反应 速率的影响 对平衡混合物中 氨含量的影响 合成氨条件的选择
增大压强 增大反应速率 平衡正向移动，平衡混合物中氨的含量提高
反应条件 对化学反应 速率的影响 对平衡混合物中 氨含量的影响 合成氨条件的选择
升高温度 增大反应速率 平衡逆向移动，平衡混合物中氨的含量降低
续表
反应条件 对化学反应 速率的影响 对平衡混合物中 氨含量的影响 合成氨条件的选择
使用催 化剂 增大反应速率 没有影响 工业上一般选用铁触媒作催化剂(以铁为主体的多成分催化剂)
续表
(2)综上，工业上通常采用铁触媒、在 和
的条件下合成氨。
(3)采用迅速冷却的方法，使气态氨变成液态氨后及时从平衡混合物
中分离出去，以促使化学平衡向生成 的方向移动。
(4)原料气的充分利用
合成氨反应的转化率较低，从原料充分利用的角度分析，工业生产
中可将 分离后的原料气循环使用，以提高原料的利用率。
2.工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界条件 有利于加快 速率的条件控制 有利于平衡移动的 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 不断补充反应物，且及时分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂
外界条件 有利于加快 速率的条件控制 有利于平衡移动的 条件控制 综合分析结果
温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取适宜的催化剂
续表
外界条件 有利于加快 速率的条件控制 有利于平衡移动的 条件控制 综合分析结果
压强 高压 (有气体参加) 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
续表
3.工业反应条件优化的解题思路
(1)抓住反应特点：热效应或、反应前后气体体积变化
或。
(2)运用平衡规律：把外界条件对化学反应速率及化学平衡的影响和
实际情况有机结合起来。
(3)准确分析数据：结合测定反应实验数据，准确分析反应条件，解
决化学反应的调控。
【知识迁移应用】
例1 ［2024·天津河西区高二期中］ 合成氨工业中采用了物质循环
操作，主要的目的是( )
A.降低氨的沸点 B.增大化学反应速率
C.提高和 的利用率 D.提高平衡混合物中氨的含量
[解析] 由于合成氨的反应 是可逆反应，
反应物只能部分转化成氨气，则通过采用循环操作，大大提高了原
料氮气、氢气的利用率，C正确。
√
［归纳总结］
合成氨反应中,反应物的转化率并不高,如果让和的混合气体只
一次通过合成塔发生反应是很不经济的,应将分离后的原料气循
环使用,并及时补充和,使反应物保持一定的浓度，以利于合成
氨反应。
例2 ［2024·广东广州天河区高二期末］ 工业制备硫酸的生产过程
及相关信息如下。下列有关说法正确的是( )
450 97.5 99.7
550 85.6 97.7
工艺流程 _______________________________________________________________________________________________
450 97.5 99.7
550 85.6 97.7
A.循环利用的物质是
B. 为放热反应
C.吸收塔中 表现强氧化性
D.实际生产中，接触室中应采用温度，压强 的生产条件
√
[解析] 为可逆反应，未参与反应的 可循环利
用，A错误；
由表知，在相同压强下，升高温度， 的平衡转化率减小，则
为放热反应，B正确；
450 97.5 99.7
550 85.6 97.7
吸收塔中是为了吸收 ，不体现强氧化性，C错误；
时，和两条件下 的平衡转化率相差不大，但
压强大，对动力和设备要求高，则实际生产中，接触室中应采用温度，
压强 的生产条件，D错误。
450 97.5 99.7
550 85.6 97.7
［归纳总结］ 化工生产适宜条件的选择
影响化学反应进行的因素有两个方面，首先是参加反应的物质组成、
结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应
条件。
1.化工生产适宜条件选择的一般原则
(1)从化学反应速率分析，既不能过快，又不能太慢。
(2)从化学平衡移动分析，既要注意外界条件对反应速率和平衡影响
的一致性，又要注意二者影响的矛盾性。
(3)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。
(4)从实际生产能力分析，如设备承受高温、高压能力等。
(5)从催化效率分析，注意催化剂的活性对温度的限制。
2.平衡类问题需综合考虑的几个方面
(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。
1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)工业合成氨的反应是放热反应，任何温度下都能自发进行( )
×
[解析] 工业合成氨的反应是放热反应，熵变小于零，因此高温不能
自发进行。
(2)从合成塔出来的混合气体中,只占 ,所以氨的产率很低( )
×
[解析] 从合成塔出来的混合气体中,只占 ,说明经过液化后氨
气的体积分数比较小，不能说明氨的产率很低。
(3)氨易液化,、 在实际生产中可循环使用,所以总体来说合成氨
的产率很高( )
√
(4)铁触媒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( )
×
[解析] 铁触媒作催化剂可加快反应速率,但不能改变化学平衡移动方
向和转化率。
(5)在、 下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:
,该反应需在 下
进行,可推测该反应是吸热反应( )
×
[解析] 反应需在 下进行，不能决定该反应是放热反应还是吸
热反应。
2.下列关于工业合成氨的叙述错误的是( )
A.合成氨没有选择更大的压强是因为压强过大会增加生产投资，降
低综合经济效益
B.使用铁触媒能降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快
地发生反应
C.工业合成氨采用温度为 是因为升高温度有利于提高反
应物的平衡转化率
D.及时从反应体系中分离出液化的氨气有利于平衡向正反应方向移动
√
[解析] 增大压强，平衡向合成 的方向移动，但压强过大对设备
的要求比较大，会增加生产投资，A正确；
催化剂通过降低反应的活化能，提高反应速率，B正确；
合成氨的反应为放热反应，温度越高，平衡逆向移动，不利于提高
反应物的平衡转化率，C错误；
根据勒夏特列原理，减少生成物浓度，平衡正向移动，D正确。
3.合成氨工艺是人工固氮最重要的途径。合成氨的简要流程和反应方
程式如下：
(1)图中 的主要成分是________，
这样操作的目的是_____________
______________________。
、
循环利用、，提高原料的利用率
[解析] 为可逆反应，氮气、氢气不能完
全转化为氨气，冷凝器中氨气液化，分离出液氨后剩余原料气 、
循环利用，有利于提高原料的利用率，的主要成分是、 。
(2)有利于提高合成氨平衡产率的条件为_____。
A.低温 B.高温 C.低压
D.高压 E.催化剂
[解析] 合成氨反应放热，降低温度，平衡正向移动；
合成氨反应的气体化学计量数之和减小，增大压强，平衡正向移动；
催化剂对平衡无影响，有利于提高合成氨平衡产率的条件为低温、高压。
AD
(3)时，若在容积为 的恒容密闭容器中充入 和
， 后达到平衡，测得的浓度为 。
①计算此段时间的反应速率____________________，
的转化率为_____。
[解析] 时，若在容积为的恒容密闭容器中充入
和，后达到平衡，测得的浓度为 ，
则此段时间内消耗 ，根据反应方程式可知，反应消耗
，生成 。
(3)时，若在容积为 的恒容密闭容器中充入 和
， 后达到平衡，测得的浓度为 。
①计算此段时间的反应速率____________________，
的转化率为_____。
反应速率，
的转化率为 。
②已知时，则(3)中的反应温度___(填“ ”“ ”或“ ”)
300。
[解析] 已知时， 中 ，正反
应放热，温度越高平衡常数越小，则反应温度 。
③若向平衡后的体系中同时加入 、、 ，
该反应是否处于平衡状态？____(填“是”或“否”)，此时___(填“ ”或
“ ”或“”) 。
否
[解析] 若向平衡后的体系中同时加入、 、
， ，该反应没
有达到平衡状态，反应正向进行，此时 。
1.下列关于工业合成氨的叙述正确的是( )
A.合成氨工业温度选择左右，主要是为了提高 的平衡转化率
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 液化分离，不能提高反应物的转化率
D.合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度
√
[解析] 合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高 的平衡转化率，
而合成氨工业温度选择 左右，主要是为了使催化剂活性最大，提高
反应速率，A错误；
施加高压即增大压强，化学平衡正移，对化学平衡状态有影响，B错误；
减少生成物的浓度，平衡正向移动，将 液化分离，可以提高反应物的
转化率，C错误；
增加一种反应物的浓度，平衡正向移动，则另一种反应物的转化率提高，
合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度，D正确。
2.在某一容积可变的恒温密闭容器中发生反应
。改变其中一个反应条件，得到逆反应速率 与时间的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.平衡常数：
B.起始时，在容器中只充入了
C. 时改变的反应条件可能是升高温度
D.的平衡转化率最大的时间段
是
√
[解析] 由 可知，正反应为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，且
，图中所示不涉及改变温度，平衡常数只与温度有关，因此平衡
常数： ，A错误；
起始时，，因此容器中还加入了
生成物，B错误；
时改变的反应条件可能是增大压强或
加入了生成物，若为升高温度，平衡正
向移动，且，则 时刻后逆反应
速率增大，C错误；
后平衡逆向移动，的平衡转化率减小，后平衡正向移动且
、 增大，改变的条件是加入了反应物， 的平衡转化率减小，
因此时间段内， 的平衡转化率最大，D正确。
3.［2024·福建厦门高二期中］工业合成氨流程如图所示，该反应速
率方程为，原料气、及少量 、
的混合气体 在进入合成塔前可经过铜氨液净化处理，其反应为
，
有关说法错误的是( )
A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
B.步骤②中“加压”既可以提高合成氨原料的转化率，又可以加快反应速率
C.为保证足够高的反应速率，反应达到一定转化率时需及时将氨从体系中
分离
D.“净化”时适当升高温度，可增大反应速率和 的平衡转化率
√
[解析] 步骤①中“净化”是为了除去杂质，防止催化剂中毒，A正确；
合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高
原料的转化率，加压也可以加快反应速率，B正确；
在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移
动，能保持足够高的原料转化率，结合 知，
分离出氨气也可以促使反应速率加快，C正确；
“净化”时经过铜氨液净化处理的反应为放热反应，适当升高温度，可增大
反应速率，但是导致平衡逆向进行， 的平衡转化率降低，D错误。
练习册
学习任务 化学反应的调控
1.［2025·辽宁名校联盟高二联考］工业上用和 合成氨的反应是
放热反应，在合成氨的实际生产中，温度通常控制在 左右。
这是因为( )
A.高温有利于提高反应物的平衡转化率
B.高温能使逆反应速率减慢
C.在该温度范围内催化剂活性最强
D.在该温度下反应的平衡常数最大
√
[解析] 对于放热反应，低温有利于提高反应物的转化率，A错误；
升高温度，正、逆反应速率均增大，B错误；
在 左右时，铁触媒催化剂的活性最高，可以加快反应速率，
C正确；
升高温度，合成氨反应的平衡常数减小，D错误。
2.［2024·天津河北区高二期中］下列关于合成氨工业说法不正确的
是( )
A.根据勒夏特列原理， 左右比室温更有利于合成氨的反应
B.合成氨厂一般采用的压强为 ，综合考虑了反应速
率、转化率和成本等因素
C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
D.铁触媒催化剂降低了反应的活化能
√
[解析] 合成氨反应是放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，平衡向逆反应
方向移动，氨气的浓度减小，故室温比 左右更有利于合成氨的反应，
A错误；
合成氨厂一般采用的压强为 ，综合考虑了反应速率、转化率
和成本等因素，因为压强大，反应速率快，有利于合成氨，但是压强太高，
对仪器设备要求也高，压强过低，反应速率慢，不利于合成氨，B正确；
将混合气体中的氨液化，减小了生成物的浓度，促进合成氨反应的平衡正向移
动，有利于合成氨，C正确；
催化剂能降低反应的活化能，D正确。
3.氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产
流程示意图如下。
下列说法不正确的是( )
A.原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生
B.合成氨一般选择 进行，主要是让铁触媒的活性最大，
平衡转化率高
C.热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温有利于
液化分离
D.新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了、 ，
显著降低合成氨的能耗
√
[解析] 原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，A正确；
合成氨一般选择 进行，主要是让铁触媒的活性最大，反应速率增
大，温度升高，该反应的平衡转化率降低，B错误；
热交换将氨气的热量传递给和 ，目的是预热原料气，同时对合成的氨气
进行降温有利于液化分离，C正确；
新型锰系催化剂将合成氨的温度、
压强分别从、
降到了、 ，显著降低合成氨的能耗，D正确。
4.在硫酸工业中，通过下列反应使 氧化成
。下表列
出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时 的转化率。下列说法
错误的是( )
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A.理论上，高压低温能使尽可能多地转化为
B.实际生产中考虑到对设备的要求，通常采用常压条件即可
C.该反应为放热反应，所以为了保证产率，工业生产中温度越低越好
D.尾气中的 必须回收，以减少空气污染
√
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
[解析] 理论上高压、低温能使的催化氧化平衡正向移动，使 尽可能多
地转化为 ，A正确；
反应为气体分子数减小的反应，增大压强平衡正向移动，从理论上分析，选择
高压，但常压下的转化率已经很高了，继续增大压强，虽然 的平衡转化率
会提高，但不明显，且会增加设备成本，增大投资和能量消耗，在实际生产中，
为了降低成本采用常压条件，B正确；
低温下化学反应速率较慢，考虑生产效率问题，温度并不是越低越好，通常选
用 ，C错误；
尾气中含有，为防止空气污染， 需回收处理，D正确。
5.合成氨的热化学方程式为
。最近，科研人员合作研究，提出基于机械化学(“暴力”
干扰使铁活化)在较温和的条件下由氮气合成氨的新方案(过程如图所示)，
利用这种方案所得氨的体积分数平衡时可高达 。下列说法正确的是
( )
A.该方案所得氨的含量高，主要是因为使用了铁作催化剂
B.采用该方案生产氨气，活化能和 均减小
C.该方案氨的含量高，与反应温度较低有关
D.为了提高氨气的产率，应尽量采取较高温度提高化学反应速率
[解析] 由循环图看出，铁是合成氨的催化剂，但催化剂不影响平衡移动，
A错误；
使用催化剂能降低活化能，但不改变反应的 ，B错误；
√
A.该方案所得氨的含量高，主要是因为使用了铁作催化剂
B.采用该方案生产氨气，活化能和 均减小
C.该方案氨的含量高，与反应温度较低有关
D.为了提高氨气的产率，应尽量采取较高温度提高化学反应速率
合成氨是放热反应，较低的反应温度有利于提高氮气的转化率及氨气的产
率，C正确；
合成氨是放热反应，较高温度虽会提高反应速率，但会降低氨气的产率，
D错误。
√
6.为了研究一定浓度 的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率，
实验结果如图所示，判断下列说法正确的是( )
A.实验说明降低、升高温度有利于
提高 的氧化率
B.温度越高，氧化率越小
C.的氧化率仅与溶液的 和
温度有关
D. 越小，氧化率越小
√
[解析] 由图可知，温度相同时，溶液 减小，亚铁离子被氧气氧化的氧化率
增大；溶液 相同时，升高温度，亚铁离子被氧气氧化的氧化率增大，说明
降低 、升高温度有利于提高亚铁离子的
氧化率，故A正确。
由图可知，溶液 相同时，升高温度，亚铁
离子被氧气氧化的氧化率增大，故B错误。
亚铁离子的氧化率不仅和温度、 有关，
还与离子的浓度等其他因素有关，故C错误。
由图可知，温度相同时，溶液 减小，亚铁
离子被氧气氧化的氧化率增大，故D错误。
7.(10分)和生成 的反应为
,在 的催
化作用下的反应历程如下(“*”表示吸附态):
化学吸附:; 。
表面反应:;; 。
脱附: 。
其中, 的吸附分解反应活化能高、反应速率慢,决定了合成氨的整体
反应速率。请回答下列问题:
(1)(2分)有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
[解析] 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正确、B错误;
低压促进平衡逆向移动,不利于提高平衡产率,高压促进平衡正向移动，
有利于提高平衡产率，C错误、D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, 错误。
AD
(2)(6分)实际生产中,常用铁触媒作催化剂,控制温度为 左右,压强
为左右,原料气中和物质的量之比为 。分析说
明原料气中 过量的两个理由：_______________________________
____________________;________________________________________
____________________________。
原料气中相对易得,适度过量有利于提高的转化率
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
[解析] 原料气中相对易得,增加氮气的量有利于提高 的转化率;
的吸附分解是决定反应速率的步骤,氮气适度过量有利于提高整体
反应速率。
(3)(2分)关于合成氨工艺的说法,正确的是______(填字母)。
A.合成氨反应在、下的 小于零
B.当温度、压强一定时,在原料气和的比例不变 中添加少量惰
性气体,有利于提高反应物平衡转化率
C. 易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行
D.分离空气可得,通过天然气和水蒸气转化可得 ,原料气须经过
净化处理,以防止催化剂中毒和发生安全事故
ACD
[解析] 是
气体分子数减小的放热反应,该反应的 小于零,A正确;
当温度、压强一定时,在原料气和的比例不变 中添加少量惰性气
体,总体积增大,相当于减压,平衡逆向移动,不能提高反应物平衡转化率,
B错误;
易液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C正确;
合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的是从空气中分离得到的,
是通过天然气和水蒸气转化得到的，原料气须经过净化处理,以防止
催化剂中毒和发生安全事故,D正确。
8.(12分)［2024·广东松湖莞中、深大附中高二月考］ 乙烯是石油化
工最基本原料之一。
Ⅰ.乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯：
。
(1)(4分)提高乙烷平衡转化率的措施有__________、______________
______________。
减小压强
升高温度 (或及时移出生成物)
[解析] ，该反应是气体分子数
增大的吸热反应，提高乙烷平衡转化率的措施有减小压强、升高温
度或及时移出生成物。
(2)(2分)一定温度下，向恒容密闭容器通入等物质的量的和 ，
发生上述反应 ，平衡时乙烷的
转化率为 ，体系总压强为， 该反应的平衡常数
____ (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压 总压×物质的量分数)。
15
[解析] 一定温度下，向恒容密闭容器通入等物质的量的和 ，
假设都为，发生上述反应，乙烷的平衡转化率为 ，根据三
段式得
该反应的平衡常数 。
Ⅱ.在乙烷中引入 可以降低反应温度，减少积碳。涉及如下反应：
(3)(2分)根据盖斯定律，反应的 ____________(写出代数式)。
[解析] 根据盖斯定律，反应减去反应的2倍得到反应 ，则
。
(4)常压下，在某催化剂作用下按照 投料制备
乙烯，体系中和在含碳产物中的物质的量百分数及 转化
率随温度的变化如图所示。
①(2分)在 温度范围内，
下列说法正确的有_____(填字母)。
A. 产率随温度升高而增大
B. 的含量随温度升高而增大
C. 在体系中的物质的量百分
数随温度升高而增大
D.此催化剂的优点是在较低温度下降低 的平衡产率
AB
[解析] 从 的转化率不断增大
分析，反应都未达到平衡，且
转化率增大幅度大于 在
含碳产物中百分数减小幅度，所
以 产率随温度升高而增大，
A正确；
因为反应未达平衡，在三个反应中，随温度升高，反应物的转化率都
增大，生成水的量都增大，因此 的含量随温度升高而增大，B正确；
根据图中信息 转化率增大，
则 在体系中的物质的量百分
数随温度升高而降低，C错误；
因为反应并未达到平衡，图中信息
仅显示相同时间内 的百分含量，
没有显示不同温度下 的平衡产
率，所以不能说明该催化剂在较
低温度下降低 的平衡产率，D错误。
②(2分)某学者研究了生成 的部分反应历程如图所示，该历程的
催化剂是_______。
[解析] 起初反应时，先与反应，生成 和 ，生成
的 再与反应，重新生成，则表明 为催化剂。
快速核答案
新课探究
学习任务 化学反应的调控
【课前自主预习】
2. 可逆 减小 能 3. （1）升高 增大 增大 使用催化剂
（2）降低 增大 增大
［问题思考］
（1）提示：不是。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，对材料的强度和设
备的制造要求越高，这将会大大增加生产投资，一般采用的压强为
。 （2）提示：温度降低会使反应速率减小,达到
平衡所需的时间变长,这在工业生产中是很不经济的。另外,合成氨所
需的催化剂铁触媒的活性在左右最大。 （3）提示：为了加
快反应速率，采用以铁为主体的多成分催化剂。
【知识迁移应用】
例1 C 例2 B
课堂评价
1. （1）× （2）× （3）√ （4）× （5）×
2. C 3. （1）、 循环利用、，提高原料的利用率
（2）AD （3）① ② ③否
练习册
1. C 2. A 3. B 4. C 5. C 6. A
7. （1）AD （2）原料气中相对易得,适度过量有利于提高的转
化率 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
8. （1）减小压强 升高温度（或及时移出生成物） （2）15
（3） （4）①AB ②
