考點(diǎn)十七 反應(yīng)速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用

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1、考點(diǎn)十七 反應(yīng)速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用 Ⅰ.課標(biāo)要求 認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。 Ⅱ.考綱要求 了解化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。 Ⅲ.教材精講 1.合成氨的反應(yīng)原理：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）298K時(shí)，△H==92.2kJ·mol—1 特點(diǎn)：合成氨是一個(gè)氣體體積縮小的放熱的可逆反應(yīng)。 2.合成氨適宜條件的選擇 （1）選擇依據(jù)：從提高反應(yīng)速率的角度分析，提高反應(yīng)溫度、使用催化劑、適當(dāng)提高氮?dú)浔?；從平衡移?dòng)的角度分析，降低溫度、提高壓強(qiáng)和適時(shí)分離反應(yīng)產(chǎn)物氨；從實(shí)際生產(chǎn)

2、的角度分析，溫度和壓強(qiáng)要與生產(chǎn)實(shí)際相適應(yīng)。 （2）選擇原則：能加快反應(yīng)速率；提高原料的利用率；提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量；對(duì)設(shè)備條件要求不能太高。 （3）合成氨的適宜條件：使用催化劑；適宜的壓強(qiáng)：2×107～5×107Pa；適宜的溫度：500℃左右；及時(shí)分離出氨和及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃狻? （4）合成氨的簡要流程： 原料氣的制備 凈化 壓縮 合成 分離 液氨 氮?dú)?、氫氣的循環(huán)使用 Ⅳ.典型例題 例1.合成氨工業(yè)中，原料氣（N2、H2、少量CO、NH3）在進(jìn)入合成塔之前，常用醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液來吸收CO，其反應(yīng)為： [Cu(NH3)2]Ac +CO+NH3 [Cu(

3、NH3)2]Ac·CO，其△H＜0 （1）必須除去CO原因是。 （2）醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液吸收原料氣中CO的適宜條件是。 （3）吸收CO后的醋酸銅氨液經(jīng)適當(dāng)處理又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力而循環(huán)使用，其再生的條件是。 【解析】由于吸收CO的反應(yīng)特點(diǎn)是正反應(yīng)為氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，則： （1）除去CO是為了防止催化劑中毒。 （2）吸收CO的適宜條件是選擇高壓、低溫及濃氨水作溶液。 （3）醋酸銅氨溶液再生的適宜條件是高溫、低壓。 例2.將對(duì)空氣的相對(duì)密度為0.293的N2和H2的混合氣體通過一固定容積的密閉容器中合成氨，反應(yīng)一段時(shí)間后，從該容器中出來的氣體在747℃、1.01

4、×105Pa的條件下測(cè)得其密度為0.12g/L，此時(shí)達(dá)到平衡，求平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率。 【解析】∵起始時(shí)混合氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量M ==0.293×29==8.5 N2 28 6.5 H2 2 19.5 8.5 ==1/3（物質(zhì)的量之比） 又 設(shè)起始時(shí)N2、H2的物質(zhì)的量分別為1mol和3mol，平衡時(shí)生成氨氣的物質(zhì)的量為xmol。 N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) 起始量 1mol 3mol 0 平衡量

5、 (1－x/2)mol (3－3/2x)mol xmol n(平)== (1－x/2)mol + (3－3/2x)mol + xmol==（4－x）mol 由PV==m/M·RT得：M==mRT/PV==0.12g·L—1×0.082atm L/mol·k×1020k÷1atm==10g/mol 據(jù)質(zhì)量守恒得：(1mol×28g/mol +3mol×2g/mol)÷( 4－x）mol==10g/mol 解得：x==0.6 ∴N2的轉(zhuǎn)化率==（0.6mol/2÷1mol）×100%==30% 答：N2的轉(zhuǎn)化率為30%。 Ⅴ.跟蹤訓(xùn)練 一.選擇題（下列各題均只有一個(gè)合理

6、答案，請(qǐng)將合理答案的序號(hào)填在第Ⅱ卷題首的答案欄內(nèi)，填在其它地方無效） 1.下面是合成氨的簡要流程示意圖： x N2（1體積） H2（3體積） 壓縮機(jī) 熱交換器 有催化劑的合成塔 冷凝器 液氨 沿x路線回去的物質(zhì)是 A.N2和H2 B.催化劑 C.N2 D.H2 2.合成氨所需的氫氣可由水和煤反應(yīng)制得，其中有一步反應(yīng)為CO +H2O CO2 +H2，其△H＜0。欲提高CO的轉(zhuǎn)化率可采用的方法是 ①降低溫度 ②增大壓強(qiáng) ③使用催化劑 ④增大CO的濃度 ⑤增大水蒸氣的濃度 A.①②③　　 B.④⑤　　 C.①⑤　　

7、 D.⑤ 3.在某合成氨廠的合成氨反應(yīng)中，測(cè)得合成塔入口處氣體N2、H2、NH3的體積比為6:8:1，出口處N2、H2、NH3的體積比為9:27:8，則N2的轉(zhuǎn)化率為 A.75% B.50% C.25% D.20% 4.在固定容積的密閉容器中，氮?dú)夂蜌錃夂铣砂钡姆磻?yīng)達(dá)到了平衡，此時(shí)容器中含有0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3。若維持原來的條件，向該容器中再同時(shí)加入0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3，則 A.正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大，化學(xué)平衡不移動(dòng) B.正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大，平衡混合氣中NH3的體積分?jǐn)?shù)增大 C.

8、正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng) D.正逆反應(yīng)速率不變，化學(xué)平衡不移動(dòng) 5.將裝有1mol NH3的密閉容器加熱，部分NH3分解后達(dá)到平衡，此時(shí)混合氣中NH3的體積分?jǐn)?shù)為x%；若在同一容器中最初加入的是2mol NH3，密封、加熱到相同溫度，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，設(shè)此時(shí)混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)為y%。則x和y的正確關(guān)系是 A.x＞y　　 B.x＜y　　 C.x＝y(tǒng)　　 D.x≥y 二.選擇題（下列各題可能有1～2個(gè)合理答案） 6.已知1molA和nmolB按下式反應(yīng)：A（g）+nB（g） mC(g) 一段時(shí)間后，測(cè)得A的轉(zhuǎn)化率為50%，同溫同壓下，反應(yīng)前的氣體

9、密度是反應(yīng)后的3/4，則n和m的值可能為 A.n==3 m==3 B.n==2 m==3 C.n==1 m==1 D.n==3 m==2 7.在一定條件下，向密閉容器中充入30molCO和20mol水蒸氣，反應(yīng)CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g）達(dá)到平衡時(shí)，水蒸氣和與氫氣的體積分?jǐn)?shù)相等，則下列敘述錯(cuò)誤的是 A.平衡后，CO的體積分?jǐn)?shù)為40% B.平衡后，CO的轉(zhuǎn)化率為25% C.平衡后，水蒸氣的轉(zhuǎn)化率為50% D.平衡后，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為24 8.在密閉容器內(nèi)，N2和H2起始的物質(zhì)的量分別為10mol、30mol，達(dá)到平

10、衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率為25%。若從NH3開始，在相同條件下欲使平衡時(shí)各成分的百分含量相同，則應(yīng)加入NH3的物質(zhì)的量及NH3的轉(zhuǎn)化率為 A.15mol和25% B.20mol和50% C.20mol和75% D.40mol和80% z x或y x或y z 濃 度 0 t1 t2 t3 時(shí)間 9.今有x(g)+y(g) 2z(g)，△H（298K）＜0，若反應(yīng)開始經(jīng)t1s后達(dá)到平衡，又經(jīng)t2s后，由于反應(yīng)條件的改變使平衡破壞。到t3s時(shí)又達(dá)到平衡。如圖所示，試分析從t2s到t3s曲線變化的原因是 A.增大了x或y的濃度 B.使

11、用了催化劑 C.增大了反應(yīng)體系的壓強(qiáng) D.升高了反應(yīng)體系的溫度 10.工業(yè)合成氨中，N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，其△H＜0，常采用700k左右的溫度條件，其原因是 A.加快反應(yīng)速率 B.提高原料的轉(zhuǎn)化率 C.使平衡向合成氨的方向移動(dòng) D.使催化劑的活性達(dá)到最佳狀態(tài) 11.在一定條件下，將1molN2和3molH2混合，發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，平衡后測(cè)得混合氣體的密度是相同條件下氫氣密度的5倍，則N2的轉(zhuǎn)化率為 A.10% B.30% C.50% D.60% 12. 在合成氨工業(yè)中，達(dá)到下列目的的變化過程

12、中與平衡移動(dòng)無關(guān)的是 A.為增加氨氣的日產(chǎn)量，不斷將氨分離出來 B.為增加氨氣的日產(chǎn)量，使用催化劑 C.為增加氨氣的日產(chǎn)量，而采用1×107Pa ～1×108Pa的壓強(qiáng) D.為增加氨氣的日產(chǎn)量，而采用700K左右的高溫 13. 工業(yè)上用來合成氨的原料之一是氫氣，有一種來源是取自石油氣，有人設(shè)計(jì)了以下反應(yīng)途 極高溫 徑，假設(shè)反應(yīng)都能進(jìn)行，其中最合理的是 A.C3H8 C+H2 高溫脫氫 B. C3H8 C3H6+H2 催化劑 C. C3H8 +H2O CO +H2

13、電解 D. C3H8 +O2→CO2+H2O； H2O O2 +H2 υ逆 υ正 O d t/s b a υY/mol·L—1·s—1 14. 在容積固定不變的4L密閉容器中，存在可逆反應(yīng)：X（g）+2Y（g） 2Z（g），并達(dá)到化學(xué)平衡，在此過程中，以Y的濃度改變表示的反應(yīng)速率υ正、υ逆與時(shí)是t的關(guān)系如圖所示，則圖中陰影部分表示： A.X的濃度減少 B.Y物質(zhì)的量的減少 C.Z的濃度的增加 D.X物質(zhì)的量的減少 三、實(shí)驗(yàn)題 15.某研究性學(xué)習(xí)小組為了探究合成氨的原理，設(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)裝置。下圖中A是簡易的氫氣發(fā)

14、生器，B是圓底燒瓶， 鹽酸 a C 干燥劑 鋅粒 A B D 還原鐵粉 E 酚酞試液 C是裝有干燥劑的U形管，a是旋轉(zhuǎn)活塞，D是裝有還原鐵粉的反應(yīng)管，E是裝有酚酞試液的燒杯。 實(shí)驗(yàn)前先檢查裝置的氣密性。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先關(guān)閉活塞a，并取下燒瓶B；向A中加入一定量的適當(dāng)濃度的鹽酸，使之產(chǎn)生氫氣。經(jīng)必要的操作后，在導(dǎo)管出口處點(diǎn)燃?xì)錃?，然后如上圖所示裝上燒瓶B，塞緊瓶塞，氫氣在燒瓶中繼續(xù)燃燒，用酒精燈加熱反應(yīng)管D中的還原鐵粉，待B中氫氣的火焰熄滅后，打開活塞a，氣體通過反應(yīng)管D進(jìn)入燒杯E中。 （1）實(shí)驗(yàn)前，如何檢查裝置的氣密性？ （2）點(diǎn)燃?xì)錃馇氨仨氝M(jìn)行操作，進(jìn)行該操作

15、的方法是 。 （3）寫出A中反應(yīng)的離子方程式：； B、D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：B：； D：。 （4）C中干燥劑的名稱是，該干燥劑的作用是。 （5）E中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是，原因是（用電離方程式進(jìn)行回答）。 （6）工業(yè)生產(chǎn)上合成氨一般選擇的壓強(qiáng)是20MPa～50MPa，其原因是。 16.已知氯水中有如下平衡：Cl2+H2O HCl +HClO。常溫下，在一個(gè)體積為50mL的針筒里吸入40mLCl2后，再吸入10mL水。 （1）寫出針筒中可能觀察到的現(xiàn)象：。 （2）若將此針筒長期放置，又可能看到何種變化，試用平衡的觀點(diǎn)解釋。 （3）若把針筒中的氯水分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ份。第Ⅰ份加少

16、量固體NaHSO3，第Ⅱ份加少量固體NaHCO3，第Ⅲ份不加任何物質(zhì)，保持原樣。則三份氯水中c(HClO)的大小是＞＞。 （4）若在針筒中的氯水加入氫氧化鈉的酚酞試液，紅色褪去。其原因可能有兩種，分別是： ①；②。 如何用實(shí)驗(yàn)方法確認(rèn)上述原因：。 四、填空題 17（Ⅰ）在容積不變的密閉容器中，分別充入1．0mol N2和3．0molH2，任其發(fā)生反應(yīng)：N2(g）+3H2（g）2NH3（g），分別在不同時(shí)測(cè)定NH3的含量，然后繪制出下圖： 試回答下列問題： （1）A、C段的曲線是增函數(shù)，C、E段曲線是減函數(shù)，試從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的角度說明理由： （2）此可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是反應(yīng)（

17、填“放熱”或“吸熱”），在實(shí)際生產(chǎn)上，合成氨反應(yīng)一般選擇在500℃左右的溫度下進(jìn)行，試從化學(xué)平衡移動(dòng)原理和綜合因素等角度分析“選擇在500℃左右下進(jìn)行”的原因： （Ⅱ）利用天然氣合成NH3的工藝流程如下： 依據(jù)上述流程，完成下列填空： （3）天然氣脫硫時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式是 （4）nmol甲烷經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO 0.9nmol，則產(chǎn)生H2摩（用含n的代表式表示）。 （5）上述過程中包含了三個(gè)循環(huán)，一是Fe(OH)3循環(huán)，二是K2CO3循環(huán)，請(qǐng)?jiān)谏鲜隽鞒虉D中標(biāo)出第三處循環(huán)（指出循環(huán)方向和循環(huán)物質(zhì)）。 18、在硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程中，有反應(yīng)2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）(正反應(yīng)

18、為放熱反應(yīng))，根據(jù)下表提供的不同壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率（%）的數(shù)據(jù)試選擇該反應(yīng)的適宜條件（以V2O5作催化劑） 壓強(qiáng) 溫度 1×105Pa 5×105Pa 10×105Pa 50×105Pa 100×105Pa 450℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 （1）溫度 ；（2）壓強(qiáng)。 19.已知N2(g）+3H2（g）2NH3（g），正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g），正反應(yīng)為放熱反應(yīng)?；卮鹣铝袉栴}： （1）從影響反應(yīng)速率、平衡的因素分析，要

19、有利于NH3和SO3的生成，理論上應(yīng)采取的措施是；實(shí)際上采取的措施分別是 。 （2）在實(shí)際生產(chǎn)中，合成氨要分離出氨，目的是；而合成三氧化硫的過程中，不需要分離出三氧化硫，原因是。 20.合成氨廠通過測(cè)定反應(yīng)前后氣體的密度來確定氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率。某工廠測(cè)得合成塔中氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w的密度為0.5536g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），從合成塔出來的混合氣體在相同條件下密度為0.693g/L。則該合成氨廠氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率為。 “反應(yīng)速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用”參考答案 一、選擇題 1.A 2.C 3.C4.B 5.B 二、選擇題6.CD 7.B 8.C 9.D 10.AD 11.B 12.BD

20、13.C 14.C(提示：因可逆反應(yīng)中YZ的化學(xué)計(jì)量數(shù)相等，所以根據(jù)圖像可得，oabd和obd圍成的面積大小在數(shù)值上分別等于正反應(yīng)Z濃度的增加量和逆反應(yīng)Z濃度的減少量，由此可見，圖中陰影部分面積即為在時(shí)間t內(nèi)Z濃度的凈增量) 三、實(shí)驗(yàn)題 15.（1）在A中放入少量水，使水面剛好浸沒漏斗下端，打開旋塞a，在B底部稍加熱，若在A中漏斗頸內(nèi)水面上升，且E中導(dǎo)管口有氣泡逸出，停止加熱后E中導(dǎo)管有水柱上升，表示裝置不漏氣（也可關(guān)閉活塞a，用同樣的方法分別在燒瓶B底部和反應(yīng)管D下部稍加熱，檢查活塞前后兩部分裝置是否漏氣。兩種回答都正確）。 （2）檢驗(yàn)氫氣的純度；用排水法收集一試管氫氣，用拇指堵住試管

21、口，移近火焰，產(chǎn)生輕輕的“噗”的一聲（或沒有尖銳的爆鳴聲），表示氫氣純度合格，可以收集和點(diǎn)燃。 （3）A中：Zn +2H+==Zn2+ +H2↑； 點(diǎn)燃 催化劑 高溫、高壓 B中：2H2 +O2===2H2O； D中：N2+3H2 2NH3 （4）堿石灰（或生石灰、氫氧化鈉固體）；吸收氣體中少量的水蒸氣和鹽酸酸霧。 （5）酚酞試液變紅；NH3+H2O NH3·H2O NH4++OH－ （6）由于合成氨的反應(yīng)是一氣體積縮小的可逆反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，既有利加快反應(yīng)速率，又有利于氨的合成，實(shí)際生產(chǎn)中，壓強(qiáng)越大，需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度要求更

22、高，從而會(huì)降低綜合經(jīng)濟(jì)效益，因而選20MPa50～MPa。 光照 16.（1）針筒向里縮進(jìn)，氣體體積變小，氣體溶液顏色變淺。（2）氣體、溶液顏色接近無色，最終仍有氣體，大約是原氯氣的一半。2HClO===2HCl+O2↑，HClO的減少，原平衡不斷向右移動(dòng)，Cl2減少，生成氧氣。理論上講：2 Cl2+2H2O==4HCl +O2↑ （3）Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ （4）①氯水的次氯酸對(duì)酚酞漂白；②氫氧化鈉和氯水反應(yīng)，溶液不再呈堿性，故酚酞褪色。 向已褪色的溶液中滴加氫氧化鈉溶液，如溶液呈紅色，則是②的原因，否則是①的原因。 四、填空題 17.（1）A、C段為增函數(shù)，原因是開始充入的物質(zhì)是N2和

23、H2，未達(dá)到化學(xué)平衡，故φ（NH3）不斷增大。C點(diǎn)達(dá)到平衡后，隨著溫度升高平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，φ（NH3）的含量減少，故CE段為減函數(shù)。 （2）放熱；由于合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，較低溫度下有利于氨的生成，但溫度過低，反應(yīng)速率很小，單位時(shí)間的產(chǎn)量低，這在工業(yè)生產(chǎn)上是很不經(jīng)濟(jì)的，而且500℃時(shí)此反應(yīng)的催化劑的活性最大。 （3）流程圖中已給出反應(yīng)物是H2S和Fe（OH）3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4未參加反應(yīng)，故其反應(yīng)方程式為： 3H2S +2Fe（OH）3==Fe2S3+6H2O （4）由反應(yīng)方程式：CH4+ H2O→CO +3H2知，產(chǎn)生氫氣的量應(yīng)為 3×0.9nmol==2.7nmol。 N2、H2 合成 N2、H2 N2、H2、NH3 （5）合成氨是可逆反應(yīng)，N2和H2的轉(zhuǎn)化率低，必須循環(huán)使用，循環(huán)圖如下： 18.（1）450℃（2）1×105Pa 19.（1）高溫、高壓、催化劑；合成氨：高溫、高壓、催化劑；合成三氧化硫：高溫、常壓、催化劑。（2）減少生成物濃度，使平衡向生成氨的方向移動(dòng)；該反應(yīng)向生成三氧化硫方向進(jìn)行的程度很大，達(dá)平衡后SO2的含量很少，且制得的三氧化硫在生產(chǎn)硫酸時(shí)，是用98.3%吸收三氧化硫，SO2不被吸收，故不需要分離出三氧化硫。 20.25%。