第二章化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是
( )
A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大
解析对于合成氨反应,增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,即v(正)>v(逆),故B项正确。
答案B
2.在合成氨反应中使用催化剂和施加高压,下列叙述中正确的是( )
A.都能提高反应速率,都对化学平衡无影响
B.都对化学平衡有影响,但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,只有施加高压对化学平衡有影响
D.使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而施加高压无此效果
解析对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),使用催化剂只能提高反应速率,缩短达到平衡状态所用的时间,不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率,使反应达到平衡状态所用的时间缩短,也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。故答案为C。
答案C
3.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,在低温时可自发进行
解析A项,投料比为n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时,更有利于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,故在低温条件下该反应能自发进行。
答案D
4.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
解析因合成氨反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,降低温度平衡正向移动,故A、C项错误;加入催化剂可增大反应速率,但对平衡移动无影响,B项错误;因合成氨的正反应是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,增加反应物浓度或减小生成物浓度会使平衡向正反应方向移动,D项正确。
答案D
5.在某恒容密闭容器内,N2、H2的起始物质的量分别为10
mol、30
mol,达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始反应,在相同条件下欲使平衡时各组分的百分含量相同,则应加入的NH3的物质的量及NH3的转化率为( )
A.15
mol,25%
B.20
mol,50%
C.20
mol,75%
D.40
mol,80%
解析从N2、H2开始反应时,N2的物质的量为10
mol,H2的物质的量为30
mol,若从NH3开始反应,并且平衡时各组分的百分含量与前者相同,则NH3的物质的量必须是20
mol,故A、D项错误。设从NH3开始反应时,NH3转化的物质的量为x,则有20
mol-x=2×10
mol×25%,解得x=15
mol,故NH3的转化率为×100%=75%。
答案C
6.在合成氨工业中,要使氨的产率增大,同时又能提高化学反应速率,可采取的措施有( )
①增大容器体积使压强减小 ②减小容器体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容,再充入等量的N2和H2 ⑥恒温恒压,再充入等量的N2和H2
⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂
A.②④⑤⑥⑦
B.②③④⑤⑦⑧
C.只有②⑤
D.①②③⑤⑧
解析从反应速率的角度分析,①④⑦均使化学反应速率降低,②③⑤⑧均使化学反应速率升高,⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析,②④⑤⑦使化学平衡向右移动,使氨的产率增大,⑥⑧不影响化学平衡,①③使化学平衡向左移动。
答案C
7.合成氨反应通常控制在10
MPa~30
MPa的压强和400~500
℃左右的温度,且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3,经科学测定,在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示:
压强
20
MPa
30
MPa
500
℃
19.1
26.4
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%,这表明( )
A.表中所测数据有明显误差
B.生产条件控制不当
C.氨的分解速率大于预测值
D.合成塔中的反应并未达到平衡
解析这说明实际合成氨工业中需要考虑单位时间的产量问题,并未让合成氨反应达到平衡,因为让反应达到平衡需要一定的时间,时间太长得不偿失。
答案D
8.某温度下,发生反应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
N2和3
mol
H2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A到B时,平衡常数K(A)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
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2
mol
NH3,所以反应放出的热量小于92.4
kJ,A项错误;从状态A到状态B,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。
答案C
提升能力跨越等级
1.一定条件下,通过下列反应可实现燃煤烟气中的硫的回收:SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l) ΔH<0。一定温度下,在容积为2
L的恒容密闭容器中1
mol
SO2和n
mol
CO发生反应,5
min后达到平衡,生成2a
mol
CO2。下列说法正确的是( )
A.反应前2
min的平均速率v(SO2)=0.1a
mol·L-1·min-1
B.当混合气体的物质的量不再改变时,反应达到平衡状态
C.平衡后保持其他条件不变,从容器中分离出部分硫,平衡向正反应方向移动
D.平衡后保持其他条件不变,升高温度和加入催化剂,SO2的转化率均增大
解析根据化学方程式可知,生成2a
mol
CO2的同时,消耗a
mol
SO2,其浓度是0.5a
mol·L-1,所以反应前5
min的平均速率v(SO2)=0.5a
mol·L-1÷5
min=0.1a
mol·L-1·min-1,故前2
min的平均速率v(SO2)大于0.1a
mol·L-1·min-1,A不正确;根据化学方程式可知,该反应是反应前后气体的物质的量减小的可逆反应,因此当混合气体的物质的量不再改变时,可以说明反应达到平衡状态,B正确;S是液体,改变液体的量,平衡不移动,C不正确;该反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,SO2的转化率降低,催化剂不能改变平衡状态,SO2转化率不变,D不正确。
答案B
2.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
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。
答案D
3.对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在一密闭容器中加入一定量的N2和H2,达到平衡时混合气体的压强为p1,迅速缩小容器体积使混合气体的压强变为p2,一段时间后达到新的平衡,此时混合气体的压强为p3,则p1、p2、p3的大小关系是( )
A.p2>p1>p3
B.p2>p3>p1
C.p2>p1>p3
D.p2>p1=p3
解析根据勒夏特列原理,改变某一外界条件时,平衡只能向减弱这种改变的方向移动。
答案B
4.对于合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,下列研究结果和图示相符的是( )
A
B
C
D
研究
结果
压强对反应的影响
温度对反应的影响
平衡体系增加N2对反应的影响
催化剂对反应的影响
图示
解析A项,由于p1条件下先达到平衡,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,故错误;B项,由于此反应ΔH<0,故升温平衡左移,N2的转化率降低,故错误;C项,增大N2的量,会使正反应速率增大,使化学平衡右移,故正确;D项使用催化剂,能增大反应速率,缩短到达平衡的时间,故错误。
答案C
5.一定条件下,将10.0
mol
H2和1.0
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( )
A.15% B.30%
C.35%
D.75%
解析对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化;利用“极限法”,假设N2完全转化,则消耗的H2的物质的量为n(H2)=3n(N2)=3.0
mol,但事实上,N2是不可能完全转化的,因而消耗的H2的物质的量一定小于3.0
mol,故H2的转化率α(H2)<×100%=30%。综上所述,本题选A。
答案A
6.(双选)相同温度下,有体积相同的甲、乙两个恒容密闭容器,甲容器中充入1
g
N2和1
g
H2,乙容器中充入2
g
N2和2
g
H2,分别进行合成氨反应。下列叙述中错误的是( )
A.化学反应速率:乙>甲
B.平衡后N2的浓度:乙>甲
C.H2的平衡转化率:甲>乙
D.平衡后混合气体中H2的体积分数:乙>甲
解析因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍,故A项正确。假设开始时乙容器的体积也是甲的2倍(如图所示),则此时甲、乙两容器中达到的平衡是等效平衡。再将乙容器的体积压缩至与甲相等(如下图中丙),则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动,即N2、H2的平衡转化率增大,它们在平衡混合气体中的体积分数减小,故C项、D项错误。此时,丙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大,但丙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍,丙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍,B项正确。
答案CD
7.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的原因是 。?
(2)醋酸二氨合铜(Ⅰ)吸收CO的适宜条件应是 。?
(3)吸收CO后的醋酸铜氨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。醋酸铜氨溶液再生的适宜条件应是 。?
解析分析吸收CO反应的特点:正反应是气体体积缩小的放热反应,对于这样一个可逆反应,用化学平衡移动原理及工业生产中适宜条件的选择等知识即可作答。
答案(1)防止合成塔中的催化剂中毒 (2)低温、高压
(3)高温、低压
8.一密封体系中发生反应N2+3H22NH3(正反应为放热反应),下图为某一时间段反应速率与反应进程的曲线关系图:
回答下列问题:
(1)处于平衡状态的时间段是 。?
(2)t1、t3、t4时刻,体系中分别是什么条件发生了变化? 、 、 。?
(3)下列时间段中,氨的百分含量最高的是 。?
A.0~t1
B.t2~t3
C.t3~t4
D.t5~t6
解析题图表示的是速率与时间的关系,只要速率不随时间变化而变化,说明在相应条件下反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是0~t1,t2~t3,t3~t4,t5~t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大,而且v(逆)>v(正),因N2+3H22NH3的正反应为放热反应,故该时刻改变的条件是温度升高。图中t3时刻速率增大,而且变化过程中v(逆)=v(正),说明平衡未被打破,所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻v'(逆)、v'(正)都减小且v'(逆)>v'(正),所以改变条件应为减小压强。
答案(1)0~t1,t2~t3,t3~t4,t5~t6
(2)温度升高 加入催化剂 减小压强
(3)A
贴近生活拓展创新
合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。
(1)X的化学式为 。?
(2)图中条件选定的主要原因是 (填字母编号)。?
A.温度、压强对化学平衡的影响
B.铁触媒在该温度时活性大
C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
(3)改变反应条件,会使平衡发生移动。如图表示随条件改变,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 ,当横坐标为温度时,变化趋势正确的是 (填字母编号)。?
解析(1)原料气N2和H2在一定条件下反应生成的NH3冷却后从设备中分离出来,同时尾气中含有的N2和H2进行循环利用。(2)温度选择在400~500
℃并不是从对化学平衡的影响分析的,而是因为催化剂在500
℃左右时活性最大,而且还可以适当提高化学反应速率;压强选择10
MPa~30
MPa主要是从化学平衡理论分析的,压强增大,平衡向生成NH3的方向移动,但不能过大,因为压强过大,对设备、材料的要求高,投资大,这样就不经济。(3)考查压强、温度对化学平衡的影响。
答案(1)NH3 (2)BC (3)c a(共21张PPT)
第四节 化学反应的调控
知识铺垫
必备知识
正误判断
工业合成氨的原理是N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.4
kJ·mol-1,从速率角度分析,反应需要在
(填“较高”或“较低”)温度下进行,而从提高反应物转化率的角度分析,反应需要在
(从压强和温度方面回答)条件下进行,原因是合成氨的反应为
。?
较高
低温、高压
正反应为气体体积减小的放热反应
知识铺垫
必备知识
正误判断
一、合成氨反应条件的原理分析
1.反应原理:N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.2
kJ·mol-1。
2.反应特点:
合成氨
反应
—可逆性:反应为 反应
—体积变化:正反应是气体体积 的反应
—焓变:ΔH 0?
3.影响因素:
(1)增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等。
(2)提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。
可逆
减小
<
知识铺垫
必备知识
正误判断
二、实际合成氨工业中选择的生产条件
1.压强:合成氨厂一般采用的压强为
。?
【微思考1】合成氨时压强越大越好,为何不采用比30
MPa更大的压强?
10
MPa~30
Mpa
提示:压强越大,对材料的强度和设备的制造要求也越高,需要的动力也越大,这会加大生产投资,可能降低综合经济效益。
2.温度:一般采用的温度为400~500
℃。
【微思考2】合成氨采用低温时可提高转化率,但为何未采用更低的温度?
提示:温度太低,反应速率太小,达到平衡所需的时间变长,不经济。另外,合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500
℃左右活性最大。
知识铺垫
必备知识
正误判断
3.催化剂:合成氨工业普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂,又称铁触媒。
【微思考3】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么?
提示:使化学平衡向生成氨的方向移动。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。
( )
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。
( )
(3)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。
( )
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。
( )
答案:(1)× (2)× (3)√ (4)×
任务
素养脉络
随堂检测
化工生产反应条件的优化与选择
问题探究
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=-198
kJ·mol-1。(已知催化剂是V2O5,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(%):
任务
素养脉络
随堂检测
1.根据化学理论和以上数据综合分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,可控制的条件是什么?
2.在实际生产中,选定400~500
℃作为操作温度,其原因是什么?
3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压?
4.在生产中,通入过量空气的目的是什么?
5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么?
提示:常压、450
℃、催化剂。
提示:兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。
提示: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设备的成本,得不偿失。
提示:增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。
提示:防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。
任务
素养脉络
随堂检测
深化拓展
工业生产中选择适宜生产条件的原则
任务
素养脉络
随堂检测
任务
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例有关合成氨工业的说法中,正确的是( )
A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,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400~500
℃,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10
MPa~30
MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
答案:B
解析:A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400~500
℃主要是为了兼顾速率与平衡,且500
℃时催化剂活性最大;D项,压强采用10
MPa~30
MPa主要是考虑对设备材料的要求。
任务
素养脉络
随堂检测
变式训练1硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O2
2SO3的说法中正确的是( )
A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3
B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零
C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
任务
素养脉络
随堂检测
答案:D
解析:该反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错。
任务
素养脉络
随堂检测
变式训练2有平衡体系:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH<0。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。
任务
素养脉络
随堂检测
任务
素养脉络
随堂检测
1.工业上合成氨一般采用400~500
℃的温度,其原因是
( )
①适当提高氨的合成速率 ②提高H2的转化率 ③提高氨的产率 ④催化剂在500
℃左右活性最大
A.只有① B.只有①②
C.②③④
D.只有①④
答案:D
任务
素养脉络
随堂检测
2.利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高N2的转化率所采取的措施是( )
A.高温
B.高压
C.使用催化剂
D.增大N2的浓度
答案:B
解析:合成氨反应是气体体积减小的放热反应,据勒夏特列原理可知,高压利于提高N2的转化率。
任务
素养脉络
随堂检测
3.NH3是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中,不正确的是( )
A.工艺涉及催化技术
B.工艺涉及高温高压技术
C.原料之一的氮气来自空气
D.从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为100%
答案:D
解析:合成氨反应为可逆反应,N2和H2的转化率小于100%,则从合成塔出来的气体中,氨气的体积分数小于100%。
任务
素养脉络
随堂检测
4.在一定条件下,可逆反应N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是( )
A.加催化剂,v(正)、v(逆)都发生变化且变化的倍数相等
B.加压,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
C.降温,v(正)、v(逆)都减小,且v(正)减小的倍数小于v(逆)减小的倍数
D.等容条件下加入氩气,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
答案:D
解析:等容条件下加入氩气,反应物和生成物浓度均不变,则v(正)、v(逆)均不发生变化,且v(正)=v(逆)。
任务
素养脉络
随堂检测
5.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g)
2M(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价廉易得,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:工业上合成M可能采用常压,如H2SO4工业中SO3的生成;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。
