第7章 第3讲化学反应速率 工业合成氨.docx

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第7章第3讲化学反应速率工业合成氨

第3讲　化学反应速率　工业合成氨

【2020·备考】

最新考纲：

1.了解化学反应速率的概念、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大作用。

3.理解外界条件（浓度、温度、压强、催化剂等）对反应速率的影响，认识并能用相关理论解释其一般规律。

4.了解反应活化能的概念。

5.了解化学反应速率的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。

核心素养：

1.变化观念与平衡思想：

能认识化学反应速率是变化的，知道化学反应速率与外界条件有关，并遵循一定规律；能多角度、动态地分析化学反应速率，运用化学反应原理解决实际问题。

2.实验探究与创新意识：

能发现和提出有关化学反应速率的有探究价值的问题；通过控制变量来探究影响化学反应速率的外界条件。

考点一　化学反应速率

（频数：

★★☆　难度：

★☆☆）

名师课堂导语化学反应速率在高考中主要在二卷中设项考查，考查角度有以下几个方面：

（1）速率影响因素分析。

（2）根据图表信息求算化学反应速率。

（3）根据图表信息比较反应速率大小。

（4）根据信息求算某一反应的正逆速率。

1.化学反应速率

计算反应速率时，我们往往忽略溶液的体积，特别是给出的是物质的量的变化量时，一定要先转化为物质的量浓度的变化量，再进行计算。

2.化学反应速率与系数的关系

（1）内容：

对于已知反应mA（g）＋nB（g）===pC（g）＋qD（g），其化学反应速率可用不同的反应物或生成物来表示，当单位相同时，化学反应速率的数值之比等于方程式中各物质的系数之比，即v（A）∶v（B）∶v（C）∶v（D）＝m∶n∶p∶q。

（2）实例：

一定温度下，在密闭容器中发生反应：

3A（g）＋B（g）

2C（g）。

已知v（A）＝0.6mol·L－1·s－1，则v（B）＝0.2mol·L－1·s－1，v（C）＝0.4mol·L－1·s－1。

当比较用不同物质表示同一反应速率的相对大小时，必须做到两个统一：

即按照系数关系换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值大小。

3.求解反应速率的解题模式：

“三段式”法

对于反应mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g），起始时A的浓度为amol·L－1，B的浓度为bmol·L－1，反应进行至t1时，A消耗了xmol·L－1，则化学反应速率可计算如下：

则：

v（A）＝

mol·L－1·s－1，v（B）＝

mol·L－1·s－1，v（C）＝

mol·L－1·s－1，v（D）＝

mol·L－1·s－1。

[速查速测]

1.（易混点排查）正确的打“√”，错误的打“×”

（1）化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加（×）

（2）化学反应速率为0.8mol·L－1·s－1是指1s时某物质的浓度为0.8mol·L－1（×）

（3）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（×）

（4）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（√）

（5）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.（教材改编题）（LK选修4·P55“活动·探究”改编）某温度下，浓度都是1mol·L－1的两种气体X2和Y2，在密闭容器中反应生成气体Z，经tmin后，测得各物质的浓度分别为c（X2）＝0.4mol·L－1，c（Y2）＝0.6mol·L－1，c（Z）＝0.4mol·L－1，则该反应的化学方程式可表示为（　　）

A.2X2＋3Y2

2X2Y3B.3X2＋2Y2

2X3Y2

C.X2＋2Y2

2XY2D.2X2＋Y2

2X2Y

答案　B

3.（思维探究题）　比较化学反应速率大小时，可通过比较化学反应速率与系数的比值的大小快速判定。

[运用]反应4CO＋2NO2

N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下。

①v（CO）＝1.5mol·L－1·min－1　②v（NO2）＝0.7mol·L－1·min－1

③v（N2）＝0.4mol·L－1·min－1　④v（CO2）＝1.1mol·L－1·min－1

⑤v（NO2）＝0.01mol·L－1·s－1

上述5种情况反应的速率由大到小的顺序为　　　　。

答案　③①②⑤④

[A组　基础知识巩固]

1.（2018·淄博联考）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

解析　本题可以采用归一法进行求解，通过方程式的系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。

答案　D

2.将等物质的量的A、B混合于2L的恒容密闭容器中，发生如下反应：

3A（g）＋B（g）

xC（g）＋2D（g），经5min后，测得D的物质的量为1mol，C的平均反应速率是0.1mol·L－1·min－1。

则x的值为（　　）

A.1B.2

C.3D.4

解析　先计算出用D表示的该反应的反应速率：

v（D）＝1mol÷2L÷5min＝0.1mol·L－1·min－1，根据C与D的反应速率关系有x∶2＝0.1mol·L－1·min－1∶0.1mol·L－1·min－1，则x＝2。

答案　B

3.（2018·浙江杭州四校期中联考）一定条件下，在体积为10L的固定容器中发生反应：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH<0，反应过程如图所示，下列说法正确的是（　　）

A.t1min时，正、逆反应速率相等

B.X曲线表示NH3的物质的量随时间变化的关系

C.0～8min内，H2的平均反应速率v（H2）＝0.075mol·L－1·min－1

D.10～12min，升高温度，反应速率减慢

解析　t1min后，X、Y的物质的量继续发生变化，则t1min时该反应未达到平衡状态，故t1min时，正、逆反应速率不相等，A错误。

由题图可知，8～10min处于平衡状态，0～8min内，X、Y的物质的量变化分别为0.6mol、0.9mol，二者的比值为0.6mol∶0.9mol＝2∶3，结合反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）推知，X曲线表示NH3，Y曲线表示H2，B正确。

0～8min内，n（H2）由1.2mol减少到0.3mol，则v（H2）＝

＝0.01125mol·L－1·min－1，C错误。

该反应为放热反应，升高温度，化学反应速率加快，平衡向逆反应方向移动，n（X）减小，n（Y）增大，与题图不符，D错误。

答案　B

【方法规律】

依据图像求反应速率的步骤

[B组　考试能力过关]

4.（全国卷节选）在容积为1.00L的容器中，通入一定量的N2O4，发生反应N2O4（g）

2NO2（g），随温度升高，混合气体的颜色变深。

在0～60s时段，反应速率v（N2O4）为　　　　mol·L－1·s－1。

解析　由题图可知，0～60s时段，N2O4的物质的量浓度变化为0.060mol·L－1，v（N2O4）＝

＝0.0010mol·L－1·s－1。

答案　0.0010

5.[2018·课标全国Ⅰ，28

（2）]F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5（g）分解反应：

其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。

体系的总压强p随时间t的变化如表所示（t＝∞时，N2O5（g）完全分解）：

t/min

0

40

80

160

260

1300

1700

∞

p/kPa

35.8

40.3

42.5

45.9

49.2

61.2

62.3

63.1

研究表明，N2O5（g）分解的反应速率v＝2×10－3×pN2O5（kPa·min－1）。

t＝62min时，测得体系中pO2＝2.9kPa，则此时的pN2O5＝　　　　kPa，v＝　　　　kPa·min－1。

解析　t＝62min时，体系中pO2＝2.9kPa，根据三段式法得

则62min时pN2O5＝30.0kPa，v＝2×10－3×30.0kPa·min－1＝6.0×10－2kPa·min－1。

答案　30.0　6.0×10－2

6.[2018·课标全国Ⅲ，28（3）]对于反应2SiHCl3（g）===SiH2Cl2（g）＋SiCl4（g），采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。

问题：

比较a、b处反应速率大小：

va　　　　vb（填“大于”“小于”或“等于”）。

反应速率v＝v正－v逆＝k正x2SiHCl3－k逆xSiH2Cl2xSiCl4，k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数，x为物质的量分数，计算a处的

＝　　　　（保留1位小数）。

解析　温度越高，反应速率越大，a点所在曲线对应的温度高于b点所在曲线对应的温度，所以a点反应速率大于b点反应速率。

a点所在曲线达到平衡时，v正＝v逆，即k正x2SiHCl3＝k逆xSiH2cl2xSiCl4，从题图上可知a点所在曲线平衡时SiHCl3的转化率为22%，设投入SiHCl3ymol，则根据三段式法得

代入k正x2SiHCl3＝k逆xSiH2Cl2xSiCl4得，k正0.782＝k逆0.112，

＝

　①

在a处SiHCl3的转化率为20%，根据三段式法得

则

＝

＝

×

，将①代入计算得出v正/v逆＝1.3。

答案　大于　1.3

考点二　影响化学反应速率的因素

（频数：

★★★　难度：

★★☆）

名师课堂导语化学反应速率的影响因素是高频考点，主要考查外界条件改变对速率影响的结论判断；由图像速率的改变判断外界条件的改变；另外要注意外界条件改变对速率的影响和平衡的影响的关系。

1.内因

反应物本身的性质是影响化学反应速率的主要因素。

如相同条件下，Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为：

v（Mg）>v（Al）。

2.外因（其他条件不变，只改变一个条件）

浓度对化学反应速率的影响的理解

①固体和纯液体对化学反应速率无影响，但要注意水（液态）对溶液的稀释作用。

②浓度的改变必须是真正参加反应离子的浓度，如酸碱中和反应影响速率的是H＋、OH－浓度。

③体系中各组分气体浓度同等程度的改变相当于压强的改变。

3.理论解释——有效碰撞理论

（1）活化分子：

能够发生有效碰撞的分子。

（2）活化能：

如图

图中：

E1为正反应的活化能，使用催化剂时的活化能为E3，E2为逆反应的活化能，反应热为E1－E2。

（3）有效碰撞：

活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。

（4）活化分子、有效碰撞与反应速率的关系

[速查速测]

1.（易混点排查）正确的打“√”，错误的打“×”

（1）升高温度时，不论正反应是吸热还是放热，正、逆反应的速率都增大（√）

（2）可逆反应中减小产物的浓度可增加正反应的速率（×）

（3）增大反应体系的压强，反应速率不一定增大（√）

（4）增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分含量，所以反应速率增大（×）

（5）对可逆反应FeCl3＋3KSCN

Fe（SCN）3＋3KCl，增加氯化钾浓度，逆反应速率加快（×）

2.（教材改编题）（RJ选修4·P242改编）中国首条“生态马路”在上海复兴路隧道建成，它运用了“光触媒”技术，在路面涂上一种光催化剂涂料，可将汽车尾气中45%的NO和CO转化成N2和CO2。

下列对此反应的叙述中正确的是（　　）

A.使用光催化剂不改变反应速率

B.使用光催化剂能增大NO的转化率

C.升高温度能加快反应速率

D.改变压强对反应速率无影响

答案　C

3.（思维探究题）[小组讨论]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。

你对这句话是如何理解的？

并完成以下填空：

一定温度下，反应N2（g）＋O2（g）

2NO（g）在密闭容器中进行，回答下列措施对化学反应速率的影响（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（1）缩小体积使压强增大：

　　　　；

（2）恒容充入N2：

　　　　；

（3）恒容充入He：

　　　　；

（4）恒压充入He：

　　　　。

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。

（1）增大　

（2）增大　（3）不变　（4）减小

[A组　基础知识巩固]

1.（2018·山东临沂一模）在Ag＋催化作用下，Cr3＋被S2O

氧化为Cr2O

的机理为S2O

＋2Ag＋===2SO

＋2Ag2＋　慢

2Cr3＋＋6Ag2＋＋7H2O===6Ag＋＋14H＋＋Cr2O

　快

下列有关说法正确的是（　　）

A.反应速率与Ag＋浓度有关

B.Ag2＋也是该反应的催化剂

C.Ag＋能降低该反应的活化能和焓变

D.v（Cr3＋）＝v（S2O

）

解析　Ag＋浓度越大，反应速率越快，A正确；Ag2＋为中间产物，不是催化剂，故B错误；Ag＋能降低该反应的活化能，但不改变焓变，C错误；反应的总化学方程式为3S2O

＋2Cr3＋＋7H2O===6SO

＋14H＋＋Cr2O

，反应速率之比等于系数之比，则3v（Cr3＋）＝2v（S2O

），D错误。

答案　A

2.在一定的条件下，某反应X（g）

Y（g）＋Z（g）分解的部分实验数据如下：

反应

时间/min

0

10

20

30

40

50

c（X）

/mol·L－1

0.100

0.090

0.080

0.070

0.060

0.050

反应

时间/min

60

70

80

90

100

c（X）

/mol·L－1

0.040

0.030

0.020

0.010

0.000

下列有关说法正确的是（　　）

A.X的浓度越大，反应速率越大

B.X的浓度越大，消耗一半时所用的时间越短

C.X分解的速率与其浓度无关

D.X的分解速率先快后慢

解析　X的分解速率是匀速的，与其浓度无关，A、D错误，C正确；X的分解速率不变；X的浓度越大，消耗一半时所用的时间越长，B项错误。

答案　C

3.（2018·安徽省示范高中第一次联考）外界其他条件相同，不同pH条件下，用浓度传感器测得反应2A＋B===3D中产物D的浓度随时间变化的关系如图。

则下列有关说法正确的是（　　）

A.pH＝8.8时，升高温度，反应速率不变

B.保持外界条件不变，反应一段时间后，pH越小，D的浓度越大

C.为了实验取样，可以采用调节pH的方法迅速停止反应

D.减小外界压强，反应速率一定减小

解析　pH＝8.8时，升高温度，反应速率一定增大，故A错误；保持外界条件不变，反应一段时间后，pH＝7.5和pH＝8.2时，有可能D的浓度相同，故B错误；当pH＝8.8时，c（D）基本不变，反应速率接近于0，说明反应停止，故C正确；没有气体参加的反应，减小压强对反应速率几乎没有影响，故D错误。

答案　C

【易错警示】

有关化学反应速率的两大易错点

1.错误地认为只要增大压强，化学反应速率一定增大。

实际上反应在密闭固定容积的容器中进行，若充入氦气（或不参与反应的气体），压强增大，但参与反应的各物质的浓度不变，反应速率不变；若反应在密闭容积可变的容器中进行，充入氦气（或不参与反应的气体）而保持压强不变，相当于参与反应的各物质的浓度减小，反应速率减小。

2.不能正确区分外界条件对可逆反应的正、逆反应速率的影响趋势。

如对ΔH＜0的反应，升高温度，平衡逆向移动，正、逆反应速率都增大，并不是只增大逆反应速率，只是逆反应速率增大的程度大于正反应速率；工业合成氨中，移出部分氨气（平衡右移），在移出氨气时刻，正反应速率瞬间不变，逆反应速率减小。

[B组　考试能力过关]

4.（全国卷节选）COCl2的分解反应为COCl2（g）===Cl2（g）＋CO（g）　ΔH＝＋108kJ·mol－1。

反应体系达到平衡后，各物质的浓度在不同条件下的变化状况如下图所示（第10min到14min的COCl2浓度变化曲线未示出）：

（1）比较第2min反应温度T

（2）与第8min反应温度T（8）的高低：

T

（2）　　　　T（8）（填“＜”“＞”或“＝”）。

（2）比较产物CO在2～3min、5～6min和12～13min时平均反应速率[平均反应速率分别以v（2～3）、v（5～6）、v（12～13）表示]的大小　　　　。

（3）比较反应物COCl2在5～6min和15～16min时平均反应速率的大小：

v（5～6）　　　　v（15～16）（填“＜”“＞”或“＝”），原因是__________________________________________________________________

_________________________________________________________________。

解析　

（1）2min和8min时反应都处于平衡状态，在4min时生成物浓度都增大，反应物浓度减小，则改变的条件是升高温度，故T

（2）＜T（8）。

（2）分析图像表示的意义，根据图像可得出平均反应速率为v（5～6）＞v（2～3）＝v（12～13）。

（3）分析图像可知反应在5～6min和15～16min时，反应温度相同，因为在相同温度时，该反应的反应物浓度越高，反应速率越大，故v（5～6）＞v（15～16）。

答案　

（1）＜　

（2）v（5～6）＞v（2～3）＝v（12～13）

（3）＞　在相同温度时，该反应的反应物浓度越高，反应速率越大

5.[2018·江苏化学，20（4）]在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。

①NH3与NO2生成N2的反应中，当生成1molN2时，转移的电子数为　　　　mol。

②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应（装置如图1）。

反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图2所示，在50～250℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________；

当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是___________________________________________________________________。

解析　①反应时NH3中N由－3价升高到0价，NO2中N由＋4价降低到0价，反应为6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O，则生成1molN2，转移电子

mol。

②迅速上升段是催化剂活性随温度升高而增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大；温度高于380℃，催化剂活性下降，且NH3与O2反应生成了NO。

答案　①

②迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大　催化剂活性下降；NH3与O2反应生成了NO

考点三　工业合成氨

（频数：

★☆☆　难度：

★☆☆）

名师课堂导语工业合成氨条件的选择是对化学反应速率、化学反应限度的综合应用，在现实工业生产中既要考虑理论指导又要考虑生产工艺的限制。

1.反应特点

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH＜0　ΔS＜0

2.合成氨适宜条件的选择

（1）温度以700K左右为宜；

（2）压强大致可分为低压（1×107Pa）、中压（2×107Pa～3×107Pa）和高压（8.5×107Pa～1×108Pa）三种类型；

（3）用铁触媒做催化剂；

（4）按N2与H2的物质的量之比为1∶2.8投料并及时分离出NH3。

3.合成氨工业的简要过程

（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需净化除去杂质，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，使平衡向正反应方向移动提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。

[速查速测]

1.（易混点排查）对于合成氨反应，达到平衡后，判断以下分析正误

（1）升高温度，对正反应的反应速率影响更大（　　）

（2）增大压强，对正反应的反应速率影响更大（　　）

（3）减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大（　　）

（4）加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

2.（LK选修4·P701改编）合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采用的办法是　　　　。

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

答案　②⑥

[A组　基础知识巩固]

1.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。

根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是（　　）

A.提高分离技术

B.研制耐高压的合成塔

C.研制低温催化剂

D.探索不用N2和H2合成氨的新途径

解析　由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

答案　C

2.（2018·山东济宁中学模拟）一定条件下，在容积固定的某密闭容器中发生反应N2＋3H2

2NH3。

在10s内N2的浓度由5mol/L降至4mol/L，下列说法正确的是（　　）

A.用NH3表示的化学反应速率为0.1mol/（L·s）

B.使用合适的催化剂，可以加快该反应的速率

C.增加H2的浓度或降低温度都会加快该反应的速率

D.反应足够长时间，N2、H2中至少有一种物质浓度降为零

解析　根据题意v（N2）＝0.1mol