最新高中化学合成氨工业 精品.docx

最新高中化学合成氨工业 精品.docx

《最新高中化学合成氨工业 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新高中化学合成氨工业 精品.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新高中化学合成氨工业精品

第3讲　化学反应速率　合成氨工业

[考纲要求]　1.了解化学反应速率的概念、化学反应速率的定量表示方法。

2.了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。

3.理解外界条件（浓度、温度、压强、催化剂等）对化学反应速率的影响，认识其一般规律。

4.了解化学反应速率的调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。

考点一　化学反应速率

1．表示方法

通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。

2．数学表达式及单位

v＝

，单位为mol·L－1·min－1或mol·L－1·s－1。

3．规律

同一反应在同一时间内，用不同物质来表示的反应速率可能不同，但反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的化学计量数之比。

深度思考

1．化学反应速率是指瞬时速率还是平均速率？

能否用固体或纯液体表示化学反应速率？

答案　化学反应速率一般指平均速率；不能用固体或纯液体表示化学反应速率，因为固体或纯液体的浓度在化学反应中视为定值。

2．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显（　　）

（2）由v＝

计算平均速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值（　　）

（3）同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，其数值可能不同，但表示的意义相同（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√

题组一　“v＝

”的应用

1．某温度时，在2L容器中X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。

由此分析，该反应的化学方程式为

________________________________________________________________________；

从反应开始至2min时，Z的反应速率为____________。

答案　3Y＋Z2X　0.025mol·L－1·min－1

解析　找出2min内X、Y、Z三种物质的浓度变化量为Δc（X）＝

＝0.1mol·L－1，Δc（Y）＝

＝0.15mol·L－1，Δc（Z）＝

＝0.18mol·L－1。

根据反应速率之比等于化学计量数之比，可以确定X、Y、Z三种物质的化学计量数分别为2、3、1。

根据图像可以确定X是生成物，Y、Z是反应物，即可以确定化学反应方程式为3Y＋Z2X。

再根据反应速率的概念，可求出从反应开始至2min时，Z的反应速率为v（Z）＝Δc（Z）/Δt＝

＝0.025mol·L－1·min－1。

2．在恒温恒容的容器中进行反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），若氮气浓度由0.1mol·L－1降到0.18mol·L－1需2s，那么由0.18mol·L－1降到0.024mol·L－1需要的反应时间为（　　）

A．等于1.8sB．等于1.2s

C．大于1.8sD．小于1.8s

答案　C

解析　前2s内的反应速率为v（N2）＝

＝0.02mol·L－1·s－1，若反应速率不变，t＝

＝1.8s。

因为随着反应的进行，反应速率减慢，所以t>1.8s。

失误防范

（1）“===”、“”运用不准确。

（2）计算速率时忽略体积，用物质的量变化值除以时间。

（3）单位运算不规范，如把amol/（L·min）表示为amol/L·min或amol/（Lmin）。

题组二　化学反应速率的大小比较

3．已知反应4CO＋2NO2N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下，其中表示反应速率最快的是（　　）

A．v（CO）＝1.5mol·L－1·min－1

B．v（NO2）＝0.7mol·L－1·min－1

C．v（N2）＝0.4mol·L－1·min－1

D．v（CO2）＝1.1mol·L－1·min－1

答案　C

解析　转化为相同的物质表示的反应速率进行比较，B项v（CO）＝1.4mol·L－1·min－1，C项v（CO）＝1.6mol·L－1·min－1，D项v（CO）＝1.1mol·L－1·min－1，C项速率最快。

4．对于可逆反应A（g）＋3B（s）2C（g）＋2D（g），在不同条件下的化学反应速率如下，其中表示的反应速率最快的是（　　）

A．v（A）＝0.5mol·L－1·min－1

B．v（B）＝1.2mol·L－1·s－1

C．v（D）＝0.4mol·L－1·min－1

D．v（C）＝0.1mol·L－1·s－1

答案　D

解析　本题可以采用归一法进行求解，可以通过方程式的计量数将不同物质表示的反应速率折算成同一物质表示的反应速率进行比较，B项中的B物质是固体，不能表示反应速率；C项中对应的v（A）＝0.2mol·L－1·min－1；D项中对应的v（A）＝3mol·L－1·min－1。

反思归纳

化学反应速率大小的比较方法

由于同一化学反应的反应速率用不同物质表示时数值可能不同，所以比较反应的快慢不能只看数值的大小，而要进行一定的转化。

（1）看单位是否统一，若不统一，换算成相同的单位。

（2）换算成同一物质表示的速率，再比较数值的大小。

（3）比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应aA＋bB===cC＋dD，比较

与

，若

＞

，则A表示的反应速率比B的大。

题组三　“三段式”模板突破化学反应速率的计算

5．NH3和纯净的O2在一定条件下发生如下反应：

4NH3（g）＋3O2（g）2N2（g）＋6H2O（g）

现向一容积不变的2L密闭容器中充入4molNH3和3molO2,4min后，测得生成的H2O占混合气体体积的40%，则下列表示此段时间内该反应的平均速率不正确的是（　　）

A．v（N2）＝0.125mol·L－1·min－1

B．v（H2O）＝0.375mol·L－1·min－1

C．v（O2）＝0.225mol·L－1·min－1

D．v（NH3）＝0.250mol·L－1·min－1

答案　C

解析　设4min时，生成6xmolH2O（g）

据题意，则有：

＝0.4　解得：

x＝0.5

则4min内H2O的变化浓度为

Δc（H2O）＝

＝1.5mol·L－1

v（H2O）＝

＝0.375mol·L－1·min－1，

再由各物质表示的速率之比等于各物质的化学计量数之比，可得各物质表示的反应速率分别为

v（N2）＝0.125mol·L－1·min－1，

v（NH3）＝0.250mol·L－1·min－1，

v（O2）＝0.1875mol·L－1·min－1。

思维模型

对于较为复杂的关于反应速率的题目，常采用以下步骤和模板计算：

（1）写出有关反应的化学方程式；

（2）找出各物质的起始量、转化量、某时刻量；

（3）根据已知条件列方程式计算。

例如：

反应　　　　　　mA　＋　nB　　pC

起始浓度（mol·L－1）abc

转化浓度（mol·L－1）x

某时刻浓度（mol·L－1）a－xb－

c＋

考点二　影响化学反应速率的因素

1．内因

由反应物的性质决定。

如在相同条件下，钠与水反应的速率大于镁与水反应的速率，也大于钠与乙醇反应的速率；钢铁在潮湿的空气中被腐蚀的速率大于铁在空气中被氧化的速率。

2．外因

外因有浓度、温度、压强、催化剂等。

（1）浓度

其他条件不变时，增大反应物浓度，可以加快反应速率。

其原因是：

增大反应物浓度→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞次数增多→反应速率增大。

（2）温度

其他条件相同时，升高温度，可以加快反应速率。

其原因是：

温度升高时→分子的运动速率加快→有效碰撞机会增多→反应速率增大。

一般来说，温度每升高10℃，反应速率增大到原来的2～4倍。

（3）压强

对于有气体参加的化学反应，若其他条件不变，增大压强可以加快反应速率。

其原因是：

对于气体反应而言，增大压强→气体体积缩小→气体浓度增大→单位时间内的有效碰撞机会增多→反应速率增大。

（4）催化剂

正催化剂能加快反应速率。

其原因是：

由于正催化剂能极大地降低反应的活化能→从而增大了活化分子的百分数→单位时间内的有效碰撞次数增多→反应速率增大。

（5）惰性气体

把与化学反应体系中各反应成分均不起反应的气体统称为“惰性气体”。

a．恒温恒容时：

充入惰性气体

体系总压强增大，但各反应成分分压不变，即各反应成分的浓度不变，化学反应速率不变。

b．恒温恒压时：

充入惰性气体

容器容积增大

各反应成分浓度降低

反应速率减小。

（6）其他因素

固体表面积、光、X射线、超声波、电磁波、溶剂等对反应速率均有影响。

3．分析外界因素对化学反应速率的影响时要注意以下几点：

（1）因固体和纯液体的浓度可视为常数，所以改变其用量对化学反应速率几乎无影响。

（2）压强对速率的影响是通过改变体积而使浓度变化来实现的。

（3）改变温度对任何反应的速率都有影响。

深度思考

有人说压强对化学反应速率的影响是通过改变浓度实现的。

这种说法是否正确，对此你如何理解？

答案　这句话是正确的。

但压强仅对有气体参加的反应起作用。

增大压强，所有参与反应的气体的浓度均增大，如2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）增大压强，SO2、O2、SO3的浓度均增大，正、逆反应速率均增大。

而增大浓度可只增大反应物或生成物的浓度，若只增大反应物的浓度，v正瞬间增大，v逆不变。

压强对无气体参与的反应无影响，但浓度仍可改变无气体参与的反应的化学反应速率。

题组一　外界条件对化学反应速率的影响

1．对于Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑，改变下列条件对生成氢气的速率有何影响？

（1）升高温度：

________；

（2）增大盐酸浓度：

__________；

（3）增大铁的质量：

__________；

（4）增加盐酸体积：

____________。

答案　

（1）反应速率增大　

（2）反应速率增大　（3）无影响　（4）无影响

2．下列有关化学反应速率的说法正确的是（　　）

A．用铁片和稀硫酸反应制取氢气时，改用98%的浓硫酸可以加快产生H2的速率

B．100mL2mol·L－1的盐酸跟锌片反应，加入适量的氯化钠溶液，反应速率不变

C．SO2的催化氧化是一个放热反应，所以升高温度，反应速率减慢

D．汽车尾气中的NO和CO可能缓慢反应生成N2和CO2，减小压强反应速率减慢

答案　D

解析　增大反应物的浓度可以加快反应速率，但浓硫酸使铁钝化，阻止反应进行；盐酸中加入氯化钠溶液，相当于加水稀释，浓度降低，速率减慢；不管是吸热反应还是放热反应，升高温度，反应速率加快；对于有气体参加或生成的反应，减小压强，反应速率减慢，所以D为正确答案。

题组二　外界条件对化学反应速率影响的实验设计

3．硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应的化学方程式为Na2S2O3＋H2SO4===Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O，下列各组实验中最先出现浑浊的是（　　）

实

验

反应温度

/℃

Na2S2O3溶液

稀H2SO4

H2O

V/mL

c/mol·L－1

V/mL

c/mol·L－1

V/mL

A

25

5

0.1

10

0.1

5

B

25

5

0.2

5

0.2

10

C

35

5

0.1

10

0.1

5

D

35

5

0.2

5

0.2

10

答案　D

解析　结合选项知混合液的体积都为20mL，但选项D中反应温度最高、反应物Na2S2O3的浓度最大，其反应速率最大，故最先看到浑浊（有硫单质生成）。

4．等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测得在不同时间（t）内产生气体体积（V）的数据如图所示，根据图示分析实验条件，下列说法中一定不正确的是（　　）

组别

对应曲线

c（HCl）/mol·L－1

反应温度/℃

铁的状态

1

a

30

粉末状

2

b

30

粉末状

3

c

2.5

块状

4

d

2.5

30

块状

A．第4组实验的反应速率最慢

B．第1组实验中盐酸的浓度大于2.5mol·L－1

C．第2组实验中盐酸的浓度等于2.5mol·L－1

D．第3组实验的反应温度低于30℃

答案　D

解析　由图像可知，1、2、3、4组实验产生的氢气一样多，只是反应速率有快慢之分。

第4组实验，反应所用时间最长，故反应速率最慢，A正确；第1组实验，反应所用时间最短，故反应速率最快，根据控制变量法原则知盐酸浓度应大于2.5mol·L－1，B正确；第2组实验，铁是粉末状，与3、4组块状铁相区别，根据控制变量法原则知盐酸的浓度应等于2.5mol·L－1，C正确；由3、4组实验并结合图像知第3组实验中反应温度应高于30℃，D错误。

5．“碘钟”实验中，3I－＋S2O

===I

＋2SO

的反应速率可以用I

与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量，t越小，反应速率越大。

某探究性学习小组在20℃进行实验，得到的数据如下表：

实验编号

①

②

③

④

⑤

c（I－）/mol·L－1

0.180

0.180

0.180

0.160

0.120

c（S2O

）/mol·L－1

0.180

0.180

0.180

0.020

0.180

t/s

88.0

44.0

22.0

44.0

t1

回答下列问题：

（1）该实验的目的是_____________________________________________________。

（2）显色时间t1＝________________________________________________________。

（3）温度对该反应的反应速率的影响符合一般规律，若在40℃下进行编号③对应浓度的实验，显色时间t2的范围为________（填字母）。

A．<22.0B．22.0～44.0

C．>44.0D．数据不足，无法判断

（4）通过分析比较上表数据，得到的结论是__________________________________。

答案　

（1）研究反应物I－与S2O

的浓度对反应速率的影响　

（2）29.3　（3）A　（4）反应速率与反应物起始浓度的乘积成正比（或显色时间与反应物起始浓度的乘积成反比）

解析　由已知数据可知，当c（I－）和c（S2O

）乘积相等时，显色时间相等，即反应速率相等，但时间与速率成反比，故t1＝

＝29.3。

升高温度加快化学反应速率，即缩短显蓝色的时间，故t<22.0。

反思归纳

1．常见考查形式

（1）以表格的形式给出多组实验数据，让学生找出每组数据的变化对反应的影响。

（2）给出影响化学反应的几种因素，让学生设计实验分析各因素对反应的影响。

2．解题策略

（1）确定变量

解答这类题目时首先要认真审题，理清影响实验探究结果的因素有哪些。

（2）定多变一

在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。

（3）数据有效

解答时注意选择数据（或设置实验）要有效，且变量统一，否则无法做出正确判断。

考点三　合成氨工业适宜条件的选择

1．反应特点

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0　ΔS<0

2．合成氨条件的理论分析

反应条件

对化学反应速率的影响

对平衡混合物中NH3的含量的影响

合成氨条件的选择

增大

压强

有利于增大化学反应速率

有利于提高平衡混合物中NH3的含量

压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用2×118～5×118Pa的压强

升高

温度

有利于增大化学反应速率

不利于提高平衡混合物中NH3的含量

温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用700K左右的温度（因为该温度时，催化剂的活性最大）

使用

催化剂

有利于增大化学反应速率

没有影响

催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁做催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行

3．合成氨工业的简要流程可用方框图表示为

（1）原料气的制取

N2：

将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。

H2：

用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气等）在高温下制取。

用煤和水制H2的主要反应为

C＋H2O（g）

CO＋H2，CO＋H2O（g）

CO2＋H2

（2）制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。

（3）氨的合成：

在适宜的条件下，在合成塔中进行。

（4）氨的分离：

经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。

题组一　合成氨工业适宜条件的选择

1．合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是（　　）

①减压　②加压　③升温　④降温　⑤及时从平衡混合气中分离出NH3　⑥补充N2或H2　⑦加催化剂　⑧减小N2或H2的量

A．③④⑤⑦B．②⑤⑥

C．②⑥D．②③⑥⑦

答案　C

解析　合成氨反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＜0的特点为正反应放热且气体体积减小，要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。

2．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是（　　）

A．使用铁做催化剂，可提高合成氨反应的速率

B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率

答案　B

题组二　合成氨过程分析

3．运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义，请完成下列探究。

（1）生产氢气：

将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。

C（s）＋H2O（g）H2（g）＋CO（g）　ΔH＝131.3kJ·mol－1，ΔS＝133.7J·mol－1·K－1，该反应在低温下________（填“能”或“不能”）自发进行。

（2）已知在400℃时，N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）的K＝0.5mol－2·L2。

①在400℃时，2NH3（g）N2（g）＋3H2（g）的K′＝____________（填数值）。

②400℃时，在0.5L的反应容器中进行合成氨反应，一段时间后，测得N2、H2、NH3的物质的量分别为2mol、1mol、

2mol，则此时反应v（N2）正______v（N2）逆（填“>”、“<”、“＝”或“不确定”）。

③若在恒温、恒压条件下向平衡体系中通入氩气，则合成氨反应的平衡________（填“向左”、“向右”或“不”）移动；使用催化剂________（填“增大”、“减小”或“不改变”）反应的ΔH。

答案　

（1）不能

（2）①2mol2·L－2　②＝　③向左　不改变

解析　

（1）根据ΔH－TΔS<0为自发反应知，现ΔH＝131.3kJ·mol－1，ΔS＝

133.7J·mol－1·K－1＝0.1337kJ·mol－1·K－1，解得在T>

≈982K时该反应能自发进行，由此可知该反应在低温下不能自发进行。

（2）①平衡常数的值与化学方程式的书写有关，根据平衡常数的定义可得K′＝

＝

2mol2·L－2。

②Q＝

＝

＝

mol－2·L2＝K，说明此时已达化学平衡状态，即v（N2）正＝v（N2）逆。

③恒温、恒压条件下向平衡体系中通入氩气，使总体积增大，原反应气体分压减小，平衡左移。

使用催化剂只是改变了反应的途径，没有改变反应物与生成物的状态，ΔH不变。

考点四　数形结合思想——用化学反应速率图像突破化学平衡概念

速率—时间图像定性揭示了v正、v逆随时间（含条件改变对速率的影响）而变化的规律，体现了外界条件改变对可逆反应速率的影响，以及由此引发的平衡移动。

平衡体系

条件变化

速率变化

平衡变化

速率变化曲线

任一平

衡体系

增大反应物的浓度

v正、v逆均增大，且v正′>v逆′

正向

移动

减小反应物的浓度

v正、v逆均减小，且v逆′>v正′

逆向

移动

任一平

衡体系

增大生成物的浓度

v正、v逆均增大，且v逆′>v正′

逆向

移动

减小生成物的浓度

v正、v逆均减小，且v正′>v逆′

正向

移动

正反应方向为气体体积增大的放热反应

增大压强或升高温度

v正、v逆均增大，且v逆′>v正′

逆向

移动

减小压强或降低温度

v正、v逆均减小，且v正′>v逆′

正向

移动

任意平衡或反应前后气体化学计量数和相等的平衡

正催化剂或增大压强

v正、v逆同等倍数增大

平

衡

不

移

动

负催化剂或减小压强

v正、v逆同等倍数减小

1．某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B，一定温度下发生反应：

A（g）＋xB（g）2C（g），达到平衡后，只改变反应的一个条件，测得容器中物质的浓度、反应速率随时间变化如下图所示。

下列说法中正确的是（　　）

A．8min时表示正反应速率等于逆反应速率

B．前20minA的反应速率为0.18mol·L－1·min－1

C．反应方程式中的x＝1,30min时表示增大压强

D．40min时改变的条件是升高温度，且正反应为吸热反应

答案　B

解析　8min时B、C的浓度相等，此时反应向正反应方向进行，即正反应速率大于逆反应速率，A项错；前20minA的反应速率为v（A）＝

＝

＝

0.18mol·L－1·min－1，B项正确；在反应中，B、C的物质的量浓度变化之比为1∶2，根据化学方程式可知x＝1，故该反应为气体体积不变的反应，即反应过程中气体的压强不变，增大压强，B、C的物质的量浓度都将增大，C项错；升高温度，平衡向吸热反应方向移动，即逆反应为吸热反应，D项错。

2．向某密闭容器中加入0.3molA、0.1molC和一定量的B三种气体。

一定条件下发生反应，各物质浓度随时间变化如甲图所示[t0～t1阶段c（B）未画出]。

图乙为t2时刻后改变条件平衡体系中反应速率随时间变化的情况，且四个阶段都各改变一种不同的条件并且改变的条件均不同。

已知，t3～t4阶段为使用催化剂。

下列说法正确的是（　　）

A．若t1＝15s，生成物C在t0～t1时间段的反应速率为0.018mol·L－1·s－1

B．t4～t5阶段改变的条件为降低反应温度

C．B的起始物质的量为0.02mol

D．t5～t6阶段可能是增大压强

答案　A

解析　v（C）＝

＝

＝0.018mol·L－1·s－1，A正确；在t4～t5阶段，平衡没有移动，反应速率减小，则是减小了压强；由图分析可知反