第四节 化学反应的调控Word文档格式.docx
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压强
温度
催化剂
浓度
10MPa~30MPa
400~500__℃
铁触媒(以铁为主体)
使气态氨变成液氨并及时从平衡混合物中分离出去;
将氨分离后的原料气循环利用;
及时补充N2和H2
2.下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是( )
A.使用铁触媒有利于合成氨的反应
B.高压比常压更加有利于合成氨的反应
C.温度过高不利于氨的生成
D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
解析 使用铁触媒,能同等程度的加快正逆反应的速率,但正逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,只是可以缩短达到平衡所需的时间,不能用平衡移动原理来解释。
由于合成氨的正反应是一个气体分子数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释。
合成氨反应是放热反应,高温平衡逆向移动,不利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。
将生成物氨气液化分离,降低了生成物的浓度,将使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。
答案 A
探究一 工业合成氨生产条件的选择
发展变化观
[探究素材]
工业生产中化学反应条件优化的原则
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
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度,减小生成物的浓度
不断地补充反应物,及时地分离出生成物
加合适的催化剂
无影响
高温
ΔH<
低温
兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
ΔH>
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
高压(有气体参加)
ΔVg<
高压
在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
ΔVg>
低压
兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
[探究题目]
1.可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<
0,达到平衡后,为了使氢气的转化率增大,下列选项中采用的三种方法正确的是( )
A.升高温度、降低压强、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、分离出部分氨气
解析 要使氢气的转化率增大,需使平衡向正反应方向移动,根据合成氨反应的特点,由于正反应为放热反应,需降低温度;
正反应为气体总体积减小的反应,需增大压强;
另外还可通过及时分离出部分氨气,减小生成物浓度的方法,促使平衡右移,故选D。
答案 D
思想
[探究素材]
工业合成氨生产中化学反应条件的优化[N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<
0]
不断补充N2和H2,及时分离出NH3
加铁触媒作为催化剂
兼顾速率和平衡,铁触媒在500℃左右时活性最大,合成氨反应选择温度400~500℃
在设备条件允许的前提下,尽量采取高压,合成氨厂一般采用的压强为10MPa~30MPa
2.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在实际生产中是循环使用,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10MPa~30MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
解析 A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;
C项,温度控制在500℃的目的是催化剂活性最大;
D项,压强采用10MPa~30MPa是考虑对设备材料的要求。
答案 B
3.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
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。
探究二 工业反应条件优化的解题方法
解答适宜条件优化题目的思路
(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。
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=-198kJ·
moL-1。
(已知制SO3过程中催化剂是V2O5,它在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(%):
(1)根据化学原理综合分析,从化学反应速率和原料转化率角度分析,生产中应采取的条件是_______________________________________________________。
(2)实际生产中,选定400~500℃作为操作温度,其原因是___________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
(3)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是___________________________________________________________________
(4)在生产中,通入过量空气的目的是___________________________________________________________________
(5)尾气中有SO2必须回收是为了___________________________________________________________________
答案
(1)常压、450℃、催化剂
(2)在此温度下催化剂的活性最高
(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,比起高压设备,得不偿失
(4)增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率(5)防止污染环境
1.对于合成氨的反应来说,使用催化剂和施以高压,下列叙述中正确的是( )
A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响
B.都对化学平衡状态有影响,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,只有压强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,而压强无此作用
解析 对化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化剂只能提高反应速率,使反应达到平衡状态所用的时间缩短,不能使化学平衡发生移动。
高压能提高反应速率,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的反应方向移动。
答案 C
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
解析 该反应是一个正向放热,气体体积减小的反应,为增加甲醇的产量,需平衡正向移动,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。
3.下列有关工业生产的叙述正确的是( )
A.合成氨生产过程中将NH3液化分离,可加快正逆反应速率,提高N2、H2的转化率
B.硫酸厂靠近原料产地比靠近硫酸消费中心更为有利
C.由于2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),所以硫酸生产中常采用高压条件提高SO2的转化率
D.充分利用硫酸厂生产过程中产生的“废热”,可使硫酸厂向外界输出大量的能量
解析 从原理上讲,合成氨时将氨液化使正逆反应速率都减小,A错;
厂址的选择要综合考虑,B错;
对于二氧化硫与氧气催化氧化为三氧化硫的反应,在常压下二氧化硫的转化率已相当高,不用再提高成本采取高压,C错;
要充分合理地利用能源,D对。
4.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
解析 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组成的O2,平衡向正方向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错;
D正确。
5.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经一定条件下的反应,生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来,同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。
(2)中A温度选择在500℃并不是从化学平衡的影响分析的,而是因为催化剂在此温度时活性大,而且还可以适当提高化学反应速率,压强选择10MPa~30MPa是从化学平衡理论分析的,压强越大,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。
答案
(1)NH3
(2)B、C (3)c a
基础巩固
1.合成氨工业中控制的反应条件应为( )
A.温度越高越好
B.压强越大越好
C.混合气体中氢气含量越高越好
D.所选的催化剂活性越大越好
解析 工业合成氨的条件是高温、高压、催化剂,其中催化剂的使用是为了加快化学反应速率;
工业合成氨的反应是一个放热反应,所以低温有利于提高原料的转化率,使化学平衡向着生成氨的方向移动,但考虑到低温的反应速率太慢,一般采用400~500℃温度;
该反应是一个气体体积缩小的反应,所以高压有利于平衡向右移动,但压强太高,设备的造价就高,所以一般是在10MPa~30MPa;
混合气体中氢气的含量高,尽管平衡向生成氨的方向移动,但因为氢气的成本较高,所以往往选用氮气过量。
答案 D
2.能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( )
A.升高温度B.降低压强
C.使用催化剂D.不断移去NH3
解析 合成氨的反应特点:
体积减小的放热反应,增大压强或降低温度均可增大反应进行的程度,此外增大反应物浓度或减小生成物浓度也可达到目的。
3.合成氨工业上采用了循环压缩操作,主要原因是( )
A.加快反应速率
B.提高NH3的平衡浓度
C.降低NH3的沸点
D.提高N2和H2的利用率
解析 合成氨工业上采用循环压缩操作,将N2、H2压缩到合成塔中循环利用,提高了N2、H2的利用率。
4.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列措施与平衡移动无关的是( )
A.不断将氨分离出来
B.使用催化剂
C.采用450℃左右的高温而不是650℃的高温
D.采用10MPa~30MPa的压强
解析 把氨分离出来是减小生成物浓度,有利于平衡右移;
合成氨反应是放热反应,相对较低温度(400~500℃)利于反应向右进行,同时该反应是气体物质的量减小的反应,尽可能采取高压利于正反应,A、C、D都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为增大反应速率,与平衡无关。
答案 B
5.合成氨厂所需H2可由焦炭与水蒸气反应制得,其中有一步反应为CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH<0。
欲提高CO的利用率,可采用的方法是( )
①降低温度 ②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓度
A.①②③B.④⑤
C.①⑤D.⑤
6.下面是合成氨的简易流程示意图:
沿x路线回去的物质是( )
A.N2和H2B.催化剂
C.N2D.H2
7.1913年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.②④⑤
C.①③⑤D.②③④
8.安全性是汽车发展需要解决的重要问题,安全气囊设计的基本思路是在汽车发生碰撞时,迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子,使乘员扑在气袋上,避免或减缓人与汽车的二次碰撞,从而达到保护乘员的目的。
气囊中的气体是由化学反应产生的,选择或设计化学反应时需要考虑下列哪些角度( )
①反应速率 ②反应限度 ③气体的量 ④气体毒性 ⑤反应的能量变化
A.①③④B.①②③④
C.①②③④⑤D.①③④⑤
解析 气体由化学反应产生,常用的是氮气,起保护作用时,需要快速产生,即反应速率快,产生气体的量适当,就要考虑限度和量的问题,气体不能使有毒的,根据以上分析可知需要考虑的角度有:
反应速率,反应限度,气体的量,气体毒性,即①②③④。
9.已知合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,当反应器中按n(N2)∶n(H2)=1∶3投料后,在不同温度下,反应达到平衡时,得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如下图所示。
下列说法正确的是( )
A.曲线a对应的反应温度最高
B.上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)=K(Q)<
K(N)
C.相同压强下,投料相同,达到平衡所需时间关系为c>
b>
a
D.N点时c(NH3)=0.2mol/L,则N点的c(N2)∶c(NH3)=1∶1
解析 A.正反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,氨气的含量减小,而a点氨的体积分数最大,所以曲线a对应的反应温度最低,故A错误;
B.K只受温度影响,温度不变平衡常数不变,所以K(M)=K(Q),正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,平衡常数减小,Q点的温度低于N,所以K(Q)>K(N),故B错误;
C.相同压强下,投料相同,温度越高反应速率越快,达到平衡消耗时间越短,c、b、a的温度依次降低,所以达到平衡消耗时间关系为a>b>c,故C错误;
D.N点时氨的物质的量的分数为20%,利用三段式,设N2转化率是b,N2的起始浓度为a,根据反应
根据题意有
=20%,2ab=0.2mol·
L-1,所以a=0.3mol·
L-1,b=
,则N点的c(N2)∶c(NH3)=(0.3-0.3×
)∶2×
0.3×
=0.2∶0.2=1∶1,故D正确;
故选D。
10.工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·
moL-1,其部分工艺流程如图所示:
反应体系中各组分的部分性质见下表:
气体
氮气
氢气
氨
熔点/℃
-210.01
-252.77
-77.74
沸点/℃
-195.79
-259.23
-33.42
回答下列问题:
(1)写出该反应的化学平衡常数表达式:
K=________。
随着温度升高,K值________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)K值越大,表明________(填字母)。
A.其他条件相同时N2的转化率越高
B.其他条件相同时NH3的产率越大
C.原料中N2的含量越高
D.化学反应速率越快
(3)在工业上采取气体循环的流程,即反应后通过把混合气体的温度降低到________使________分离出来;
继续循环的气体是________。
解析
(1)由化学方程式N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可写出:
K=
,此反应ΔH<
0,说明正反应为放热反应,升高温度,平衡向吸热的方向移动,即向左移动,c(NH3)减小,c(N2)和c(H2)增大,故K减小。
(2)K值越大,说明c(NH3)越大,c(N2)和c(H2)就越小,反应进行的程度越大,故其他条件相同时N2的转化率越高,NH3的产率越大。
(3)根据气体的熔、沸点可知,氨气容易液化,使其分离可使平衡正向移动,剩余N2和H2循环使用,以提高产率。
答案
(1)
减小
(2)AB
(3)-33.42℃ NH3 N2和H2
能力提升
11.1913年,德国化学家哈伯实现了合成氨的工业化生产,被称作解救世界粮食危机的化学天才,现将1molN2和3molH2投入1L的密闭容器,在一定条件下,利用如下反应模拟哈伯合成氨的工业化生产:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。
当改变某一外界条件(温度或压强)时,NH3的体积分数φ(NH3)变化趋势如图所示。
(1)已知:
①NH3(l)===NH3(g) ΔH1,②N2(g)+3H2(g)2NH3(l) ΔH2;
则反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的ΔH=________(用含ΔH1、ΔH2的代数式表示);
(2)合成氨的平衡常数表达式为________,平衡时,M点NH3的体积分数为10%,则N2的转化率为________(保留两位有效数字);
(3)X轴上a点的数值比b点________(填“大”或“小”)。
上图中,Y轴表示________(填“温度”或“压强”),判断的理由是___________________________________________________________________;
(4)若将1molN2和3molH2分别投入起始容积为1L密闭容器中,实验条件和平衡时的相关数据如表所示:
容器编号
实验条件
平衡时反应中的能量变化
Ⅰ
恒温恒容
放热Q1kJ
Ⅱ
恒温恒压
放热Q2kJ
Ⅲ
恒容绝热
放热Q3kJ
下列判断正确的是________;
A.放出热量:
Q1<Q2
B.N2的转化率:
Ⅰ>Ⅲ
C.平衡常数:
Ⅱ>Ⅰ
D.达平衡时氨气的体积分数:
Ⅰ>Ⅱ
解析
(1)已知:
①NH3(l)NH3(g) ΔH1,②N2(g)+3H2(g)2NH3(l)ΔH2,根据盖斯定律,①×
2+②可得:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g),故ΔH=2ΔH1+ΔH2;
(2)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常数表达式K=
,设转化的氮气为xmol,则:
所以
=10%,解得x=
,故氮气转化率为
×
100%=18%;
(3)随Y值增大,φ(NH3)减小,平衡N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0向逆反应方向移动,正反应为体积减小的放热反应,故Y为温度,则X为压强,增大压强平衡正向移动,φ(NH3)增大,a点的数值比b点小;
(4)A.Ⅰ为恒温恒容,随反应进行压强减小,Ⅱ为恒温恒压,Ⅱ等效为在Ⅰ的基础上增大压强,平衡正向移动,Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ,放出热量:
Q1<Q2,故A正确;
B.Ⅲ为恒容绝热,随反应进行温度升高,Ⅰ为恒温恒容,Ⅲ等效为在Ⅰ的基础上升高温度,平衡逆向移动,N2的转化率:
Ⅰ>Ⅲ,故B正确;
C.平衡常数只受温度影响,温度相同,平衡常数相同,则平衡常数:
Ⅱ=Ⅰ,故C错误;
D.Ⅱ等效为在Ⅰ的基础上增大压强,平衡正向移动,则达平衡时氨气的体积分数:
Ⅰ<Ⅱ,故D错误;
故答案为AB。
答案
(1)2ΔH1+ΔH2
(2)
18% (3)小 温度 随Y值增大,φ(NH3)减小,平衡N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0向逆反应方向移动,故Y为温度 (4)AB
12.CH4—CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2),还对温室气体的减排具有重要意义。
(1)CH4—CO2催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)===2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C
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