考點十七 反應速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應用

考點十七 反應速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應用 Ⅰ.課標要求 認識化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學研究領域中的重要作用。 Ⅱ.考綱要求 了解化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學研究領域中的重要作用。 Ⅲ.教材精講 1.合成氨的反應原理：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）298K時，△H==92.2kJ·mol—1 特點：合成氨是一個氣體體積縮小的放熱的可逆反應。 2.合成氨適宜條件的選擇 （1）選擇依據(jù)：從提高反應速率的角度分析，提高反應溫度、使用催化劑、適當提高氮氫比；從平衡移動的角度分析，降低溫度、提高壓強和適時分離反應產(chǎn)物氨；從實際生產(chǎn)的角度分析，溫度和壓強要與生產(chǎn)實際相適應。 （2）選擇原則：能加快反應速率；提高原料的利用率；提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量；對設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：2×107～5×107Pa；適宜的溫度：500℃左右；及時分離出氨和及時補充氮氣和氫氣。 （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 氮氣、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）在進入合成塔之前，常用醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液來吸收CO，其反應為： [Cu(NH3)2]Ac +CO+NH3 [Cu(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)適當處理又可再生，恢復其吸收CO的能力而循環(huán)使用，其再生的條件是。 【解析】由于吸收CO的反應特點是正反應為氣體體積縮小的放熱反應，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.將對空氣的相對密度為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，反應一段時間后，從該容器中出來的氣體在747℃、1.01×105Pa的條件下測得其密度為0.12g/L，此時達到平衡，求平衡時N2的轉(zhuǎn)化率。 【解析】∵起始時混合氣的平均相對分子質(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 設起始時N2、H2的物質(zhì)的量分別為1mol和3mol，平衡時生成氨氣的物質(zhì)的量為xmol。 N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) 起始量 1mol 3mol 0 平衡量 (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.跟蹤訓練 一.選擇題（下列各題均只有一個合理答案，請將合理答案的序號填在第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 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制得，其中有一步反應為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 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　　 D.⑤ 3.在某合成氨廠的合成氨反應中，測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，氮氣和氫氣合成氨的反應達到了平衡，此時容器中含有0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3。若維持原來的條件，向該容器中再同時加入0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3，則 A.正、逆反應速率同時增大，化學平衡不移動 B.正、逆反應速率同時增大，平衡混合氣中NH3的體積分數(shù)增大 C.正、逆反應速率同時增大，化學平衡向逆反應方向移動 D.正逆反應速率不變，化學平衡不移動 5.將裝有1mol NH3的密閉容器加熱，部分NH3分解后達到平衡，此時混合氣中NH3的體積分數(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，反應達到平衡時，設此時混合氣體中NH3的體積分數(shù)為y%。則x和y的正確關系是 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個合理答案） 6.已知1molA和nmolB按下式反應：A（g）+nB（g） mC(g) 一段時間后，測得A的轉(zhuǎn)化率為50%，同溫同壓下，反應前的氣體密度是反應后的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CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g）達到平衡時，水蒸氣和與氫氣的體積分數(shù)相等，則下列敘述錯誤的是 A.平衡后，CO的體積分數(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，達到平衡時N2的轉(zhuǎn)化率為25%。若從NH3開始，在相同條件下欲使平衡時各成分的百分含量相同，則應加入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 時間 9.今有x(g)+y(g) 2z(g)，△H（298K）＜0，若反應開始經(jīng)t1s后達到平衡，又經(jīng)t2s后，由于反應條件的改變使平衡破壞。到t3s時又達到平衡。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.使用了催化劑 C.增大了反應體系的壓強 D.升高了反應體系的溫度 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 D.使催化劑的活性達到最佳狀態(tài) 11.在一定條件下，將1molN2和3molH2混合，發(fā)生反應N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，平衡后測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，達到下列目的的變化過程中與平衡移動無關的是 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 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，有人設計了以下反應途 極高溫 徑，假設反應都能進行，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 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：X（g）+2Y（g） 2Z（g），并達到化學平衡，在此過程中，以Y的濃度改變表示的反應速率υ正、υ逆與時是t的關系如圖所示，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、實驗題 15.某研究性學習小組為了探究合成氨的原理，設計了下列實驗裝置。下圖中A是簡易的氫氣發(fā)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管，E是裝有酚酞試液的燒杯。 實驗前先檢查裝置的氣密性。實驗開始時，先關閉活塞a，并取下燒瓶B；向A中加入一定量的適當濃度的鹽酸，使之產(chǎn)生氫氣。經(jīng)必要的操作后，在導管出口處點燃氫氣，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，氣體通過反應管D進入燒杯E中。 （1）實驗前，如何檢查裝置的氣密性？ （2）點燃氫氣前必須進行操作，進行該操作的方法是 。 （3）寫出A中反應的離子方程式：； B、D中發(fā)生反應的化學方程式：B：； D：。 （4）C中干燥劑的名稱是，該干燥劑的作用是。 （5）E中的實驗現(xiàn)象是，原因是（用電離方程式進行回答）。 （6）工業(yè)生產(chǎn)上合成氨一般選擇的壓強是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，試用平衡的觀點解釋。 （3）若把針筒中的氯水分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ份。第Ⅰ份加少量固體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。 如何用實驗方法確認上述原因：。 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：N2(g）+3H2（g）2NH3（g），分別在不同時測定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)，試從反應速率和化學平衡的角度說明理由： （2）此可逆反應的正反應是反應（填“放熱”或“吸熱”），在實際生產(chǎn)上，合成氨反應一般選擇在500℃左右的溫度下進行，試從化學平衡移動原理和綜合因素等角度分析“選擇在500℃左右下進行”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）天然氣脫硫時的化學反應方程式是 （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循環(huán)，一是Fe(OH)3循環(huán)，二是K2CO3循環(huán)，請在上述流程圖中標出第三處循環(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2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）(正反應為放熱反應)，根據(jù)下表提供的不同壓強下SO2的轉(zhuǎn)化率（%）的數(shù)據(jù)試選擇該反應的適宜條件（以V2O5作催化劑） 壓強 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。 19.已知N2(g）+3H2（g）2NH3（g），正反應為放熱反應，2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g），正反應為放熱反應?；卮鹣铝袉栴}： （1）從影響反應速率、平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理論上應采取的措施是；實際上采取的措施分別是 。 （2）在實際生產(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.合成氨廠通過測定反應前后氣體的密度來確定氮氣的轉(zhuǎn)化率。某工廠測得合成塔中氮氣和氫氣混合氣體的密度為0.5536g/L（標準狀況），從合成塔出來的混合氣體在相同條件下密度為0.693g/L。則該合成氨廠氮氣的轉(zhuǎn)化率為。 “反應速率與限度理論在化工生產(chǎn)上的應用”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.BD13.C 14.C(提示：因可逆反應中YZ的化學計量數(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Z濃度的增加量和逆反應Z濃度的減少量，由此可見，圖中陰影部分面積即為在時間t內(nèi)Z濃度的凈增量) 三、實驗題 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中導管口有氣泡逸出，停止加熱后E中導管有水柱上升，表示裝置不漏氣（也可關閉活塞a，用同樣的方法分別在燒瓶B底部和反應管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）檢驗氫氣的純度；用排水法收集一試管氫氣，用拇指堵住試管口，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，可以收集和點燃。 （3）A中：Zn +2H+==Zn2+ +H2↑； 點燃 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）由于合成氨的反應是一氣體積縮小的可逆反應，增大壓強，既有利加快反應速率，又有利于氨的合成，實際生產(chǎn)中，壓強越大，需要的動力越大，對材料的強度要求更高，從而會降低綜合經(jīng)濟效益，因而選20MPa50～MPa。 光照 16.（1）針筒向里縮進，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，Cl2減少，生成氧氣。理論上講：2 Cl2+2H2O==4HCl +O2↑ （3）Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ （4）①氯水的次氯酸對酚酞漂白；②氫氧化鈉和氯水反應，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H2，未達到化學平衡，故φ（NH3）不斷增大。C點達到平衡后，隨著溫度升高平衡向逆反應方向移動，φ（NH3）的含量減少，故CE段為減函數(shù)。 （2）放熱；由于合成氨的反應是放熱反應，根據(jù)化學平衡移動原理，較低溫度下有利于氨的生成，但溫度過低，反應速率很小，單位時間的產(chǎn)量低，這在工業(yè)生產(chǎn)上是很不經(jīng)濟的，而且500℃時此反應的催化劑的活性最大。 （3）流程圖中已給出反應物是H2S和Fe（OH）3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4未參加反應，故其反應方程式為： 3H2S +2Fe（OH）3==Fe2S3+6H2O （4）由反應方程式：CH4+ H2O→CO +3H2知，產(chǎn)生氫氣的量應為 3×0.9nmol==2.7nmol。 N2、H2 合成 N2、H2 N2、H2、NH3 （5）合成氨是可逆反應，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；該反應向生成三氧化硫方向進行的程度很大，達平衡后SO2的含量很少，且制得的三氧化硫在生產(chǎn)硫酸時，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%。