第二章 化学反应速率与化学平衡\n第四节 化学反应的调控\n学习目标核心素养1．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。2．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。3．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。1．通过运用变量控制反应方向，培养变化观念和平衡思想。2．运用化学知识解决生产、生活中的简单化学问题，培养科学态度与社会责任。\n课前素能奠基课堂素能探究课堂达标验收新课情景呈现名师博客呈现\n新课情景呈现\n合成氨的意义合成氨和尿素，可以说是化学工业最伟大的发明，对人类的贡献无论如何夸大都不为过。民以食为天，人类从诞生到1900年，几百万年时间，人口只有16亿。而1908年合成氨工业化，至现在100多年时间，人口增加到超过76亿，无疑合成氨是起了巨大的作用的。合成氨，诞生了化学肥料，使土地的粮食产量翻了几番，使地球才能养活这么多人口，而且不挨饿。这其中的意义是无法用语言来表达的。同时氨还是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。\n除了作为肥料，也是生产硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等。合成氨工业诞生以后，用氨作炸药的原料，各种的炸药都是以氨为原料合成的，从而发生了人类诞生以来两次最大的战争，一战和二战，成为杀人的利器。可以说，合成氨是带着恶魔属性的天使。氮气和氢气合成氨气的反应是可逆反应且转化率很低，选择怎样的条件更有利于氨气的合成，让我们走进教材学习化学反应的调控。\n课前素能奠基\n结合反应方程式，可知_________________________________________________________，都可以使合成氨速率增大；_________________________________________________________有利于提高平衡混合物中氨的含量。新知预习升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等降低温度、增大压强、增大反应物浓度或减小生成物浓度等\n合成氨温度、压强与氨的含量关系如下表：温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002．2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4\n1．压强：理论和实验数据的分析均表明，合成氨时压强________可以同时提高反应速率和转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资并可能降低综合经济效益。一般采用的压强为__________________。2．温度：温度________有利于提高反应速率，温度________有利于提高反应转化率。因此，需要选择一个适宜的温度，一般采用的温度为________________。增大10～30MPa升高降低400～500℃\n3．催化剂：加入催化剂可以________反应速率，对化学平衡__________，一般选择__________作为合成氨工业的催化剂。该催化剂在500℃左右时活性最大，这也是温度选择的原因之一。另外，为了防止杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过________。4．浓度：为提高平衡转化率，工业上采取____________的方法，使氨气变成液氨并及时分离，分离后的原料气____________，并及时补充___________，使反应物保持一定的浓度。提高无影响铁触媒净化迅速冷却循环使用N2和H2\n\n二、化学反应的调控影响化学反应进行的因素有两个方面：参加反应的物质__________(组成、结构、性质等)和____________(温度、压强、浓度、催化剂等)。化学反应的调控，就是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。在实际生产中，要综合考虑________________和______________的因素，寻找一个适宜的生产条件。本身因素外界条件化学反应速率化学平衡\n预习自测1．合成氨时，可以提高H2利用率的措施是()A．升高温度B．及时分离出NH3C．充入过量氢气D．使用催化剂解析：该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的利用率降低，故A错误；及时分离出NH3，生成物浓度减小，平衡正向移动，能提高H2利用率，故B正确；充入过量氢气，平衡正向移动，但氢气的利用率降低，故C错误；催化剂能改变反应速率，但不影响平衡移动，不改变氢气的利用率，故D错误。B\n2．下列说法正确的是()A．向燃烧的炭中加入KClO3固体，燃烧更旺，KClO3作催化剂B．工业上将矿石粉碎，增加了接触面积，加快反应C．对于合成氨反应，延长时间有利于氨气的制备D．恒温恒容，向合成氨反应的容器中通氖气，压强变大，反应速率加快B\n解析：向燃烧的炭中加入KClO3，氯酸钾分解可生成氧气，促进燃烧，不是催化剂，故A错误；工业上将矿石粉碎，增加了接触面积，加快了反应速率，故B正确；对于合成氨反应，达到平衡状态后延长时间反应平衡状态不变，氨气浓度一定，故C错误；恒温恒容，向合成氨反应的容器中通氖气，总压增大，但反应体系中各物质的浓度不变，反应速率不变，故D错误。\n3．工业上用氢气和氮气合成氨的反应是放热反应，在氨的实际合成生产时温度常控制在700K左右，原因是()A．高温有利于提高反应的转化率B．高温可增大反应的限度C．700K时反应催化剂活性最强，反应速率快D．高温才可以自发向右进行C\n解析：反应是放热反应，升温平衡逆向进行，反应物转化率降低，不利于提高反应的转化率，低温可以增大反应的限度，故A、B错误；在700K左右时催化剂的活性最大，同时保证了反应具有较快的反应速率，提高了经济效益，故C正确；反应ΔH＜0，ΔS＜0，满足ΔH－TΔS＜0反应才能自发进行，则需要在低温下可以自发向右进行，故D错误。\n课堂素能探究\n知识点问题探究：催化剂铁触媒以什么形态存在更有利于反应进行？原料气为什么要循环利用？探究提示：铁触媒是固体，粉末状更有利于反应进行；原料气(气体)在铁触媒(固体)表面的接触反应有限，不能充分反应，因此要循环利用。合成氨条件的选择\n\n1．根据上述反应特点，从理论上分析：(1)使氨生成得快的措施(从反应速率考虑)：①增大反应物的浓度；②升高温度；③增大压强；④使用催化剂。(2)使氨生成得多的措施(从平衡移动考虑)：①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强。\n2．合成氨条件的选择：在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的适宜条件的选择：(1)浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用。\n(2)温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，500℃左右为宜，此温度也是催化剂活性温度范围。(3)合成氨是体积缩小的可逆反应，压强增大，有利于氨的合成，但对设备要求也就很高，所需动力也越大，应选择适当压强。(4)催化剂：选用铁触媒，能加快反应速率，减小达到平衡所需时间。\n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为700K左右，只是为了提高NH3产率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NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度C典例1\n解析：合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气的浓度，故D错误。\n〔变式训练1〕德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。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．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④B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。\n知识点化学反应的调控问题探究：1．处理硫酸工业尾气SO2的一种常用方法是“氨—酸”法，即先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，请写出反应方程式？2．有人研究用Na2SO3作为治理SO2污染的一种新方法，该方法的第一步是用Na2SO3水溶液吸收SO2，第二步是加热吸收溶液，使之重新生成Na2SO3，同时得到含高浓度SO2的水蒸气副产品。这种尾气处理方法与“氨－酸”相比的优点是什么？\n\n知识归纳总结：在工业生产中，常常涉及可逆反应，如合成氨工业中N2和H2的反应、硫酸工业中将SO2氧化成SO3的过程都是可逆反应。可逆反应中，反应速率和反应物转化为产物的百分率(转化率)可以通过改变反应条件加以控制。调控化学反应在原理上应从两方面考虑：化学反应速率和化学平衡。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况。综合考虑化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。\n此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。在化工生产中还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可行性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。近年来，环境保护条件提升到首要考虑的因素，预处理及生产过程中产生的废气、废液、废渣情况及处理成本，往往成为是否采用该工艺的决定性因素。\n典例2压强/MPa转化率/%温度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4\n试回答下列问题：(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？________________________________________________________________________________________________________。(2)提高该化学反应限度的途径有____________________________________。压强一定时，温度升高时，SO2的转化率降低，说明升高温度有利于平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应增大压强或在一定范围内降低温度\n(3)在400～500℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是________________________________________________。(4)已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1，每生产1000t98%硫酸所需要的SO3的质量为_________t，由SO2生产这些SO3所放出的热量为____________kJ。增大压强对SO2的转化率影响不大，同时增大成本8×1029.83×108\n解析：(1)由表中数据可知，压强一定时，温度升高时，SO2的转化率降低，说明升高温度有利于平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应。(2)由表中数据可知，压强和温度对平衡移动都有影响，增大压强SO2的转化率增大，但增大的幅度较小，升高温度SO2的转化率减小，说明该反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，所以提高该化学反应限度的途径有增大压强或在一定范围内降低温度。(3)由表中数据可知，增大压强对SO2的转化率影响不大，同时增大成本，故通常采用常压而不是高压。\n(4)1000吨98%的硫酸含有H2SO4的质量为1×109×98%＝9.8×108g设需要SO3的质量为m，放出的热量为y则：2H2SO4～2SO3～Q＝196.6kJ2×98g2×80g196.6kJ9.8×108gmy则：2×98g：9.8×108g＝2×80g：m2×98g：196.6kJ＝9.8×108g：y解得：m＝8×108g＝8×102t，y＝9.83×108kJ。\n(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的生产适宜条件是______________。(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是_______________。防止催化剂中毒低温、高压高温、低压\n\n名师博客呈现\n橙色黄色①增大H＋浓度(加浓硫酸)时的速率—时间图像和浓度—时间图像\n②减小H＋浓度(加NaOH溶液)时的速率—时间图像和浓度—时间图像\n【图像变化规律】通过改变浓度影响化学平衡时，速率－时间图像和浓度－时间图像中主动改变的一方突变，因平衡移动被动改变的一方渐变。\n课堂达标验收\n1．合成氨生产中，说法正确的是()A．使用催化剂，提高原料的利用率B．采用高温、高压工艺提高氨的产率C．产物用水吸收，剩余气体循环利用D．增大反应物浓度，对v正影响更大D\n解析：催化剂不影响平衡的移动，不改变原料利用率，A项错；工厂通常采用10MPa～30MPa的高压，有利于平衡正移，可提高产率，高温时催化剂活性高，但不利于提高产率，B项错；平衡混合气冷却使氨气液化，而不是用水吸收，C项错；增大反应物浓度，正逆反应速率都加快，对v正影响更大，D项正确。\n2．下列有关工业合成氨的说法不能用平衡移动原理解释的是()A．不断补充氮气和氢气B．选择10～30MPa的高压C．及时液化分离氨气D．选择500℃左右的高温同时使用铁触媒作催化剂解析：增大N2和H2浓度，平衡正向移动，选择高压平衡正向移动，分离氨气，减小生成物浓度，平衡正向移动，都可用平衡移动原理解释，A、B、C均不选；催化剂只改变速率，平衡不移动，不能用平衡移动原理解释，故选D。D\n\n(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是_____________。(2)此可逆反应的正反应是______热反应。(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。A点、B点放AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低\n解析：(1)从图中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。(3)AC段是平衡前的氨气质量分数变化曲线，CE段是达到平衡后氨气质量分数变化曲线。
