2025版新教材高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)第6章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率第2節(jié)素養(yǎng)提升13化學(xué)平衡的調(diào)控在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用學(xué)案魯科版

PAGE4-素養(yǎng)提升13化學(xué)平衡的調(diào)控在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用1．總體原則(1)化工生產(chǎn)相宜條件選擇的一般原則條件原則從化學(xué)反應(yīng)速率分析既不能過快，又不能太慢從化學(xué)平衡移動(dòng)分析既要留意外界條件對(duì)速率和平衡影響的一樣性，又要留意二者影響的沖突性從原料的利用率分析增加易得廉價(jià)原料，提高難得高價(jià)原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本從實(shí)際生產(chǎn)實(shí)力分析如設(shè)備承受高溫、高壓實(shí)力等從催化劑的運(yùn)用活性分析留意催化劑的活性對(duì)溫度的限制(2)平衡類問題需考慮的幾個(gè)方面①原料的來源、除雜，尤其考慮雜質(zhì)對(duì)平衡的影響；②原料的循環(huán)利用；③產(chǎn)物的污染處理；④產(chǎn)物的酸堿性對(duì)反應(yīng)的影響；⑤氣體產(chǎn)物的壓強(qiáng)對(duì)平衡造成的影響；⑥變更外界條件對(duì)多平衡體系的影響。2．典型實(shí)例——工業(yè)合成氨(1)反應(yīng)原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1(2)反應(yīng)特點(diǎn)：①反應(yīng)為可逆反應(yīng)；②正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；③反應(yīng)物、反應(yīng)產(chǎn)物均為氣體，且正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)。(3)反應(yīng)條件的選擇反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響對(duì)平衡混合物中氨含量的影響合成氨條件的選擇增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)速率平衡正向移動(dòng)，提高平衡混合物中氨的含量壓強(qiáng)增大，有利于氨的合成，但須要?jiǎng)恿Υ螅瑢?duì)材料、設(shè)備的要求高上升溫度增大反應(yīng)速率平衡逆向移動(dòng)，降低平衡混合物中氨的含量溫度要相宜，既要保證反應(yīng)有較快的速率，又要使反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不能太低，故采納400～500℃的溫度，并且在該溫度下催化劑的活性最大運(yùn)用催化劑增大反應(yīng)速率沒有影響工業(yè)上一般選用鐵觸媒做催化劑(4)原料氣的充分利用合成氨反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較低，從原料充分利用的角度分析，工業(yè)生產(chǎn)中采納循環(huán)操作的方法可提高原料的利用率。1．合成氨時(shí)，既要使合成氨的產(chǎn)率增大，又要使反應(yīng)速率加快，可實(shí)行的方法是()①減壓②加壓③升溫④降溫⑤補(bǔ)充N2或H2⑥加催化劑⑦減小N2或H2的量A．③④⑤⑦B．②⑤⑥C．②⑤D．②③⑥⑦C解析：合成氨反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0的特點(diǎn)為正反應(yīng)放熱且反應(yīng)前后氣體分子總數(shù)減小，要使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)且反應(yīng)速率加快，可采納加壓、增加反應(yīng)物的量的方法。2．下圖所示為工業(yè)合成氨的流程圖。有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()A．步驟①中“凈化”可以防止催化劑中毒B．步驟②中“加壓”既可以提高原料的轉(zhuǎn)化率，又可以加快反應(yīng)速率C．步驟③、④、⑤均有利于提高原料的轉(zhuǎn)化率D．產(chǎn)品液氨除可生產(chǎn)化肥外，還可用作制冷劑C解析：合成氨運(yùn)用含鐵催化劑，為防止催化劑中毒，須將原料“凈化”處理，A項(xiàng)正確；步驟②中“加壓”，可增大氮?dú)?、氫氣濃度，既加快合成氨反?yīng)速率又能使平衡正向移動(dòng)，提高原料轉(zhuǎn)化率，B項(xiàng)正確；合成氨反應(yīng)放熱，步驟③運(yùn)用較高溫度不利于提高原料轉(zhuǎn)化率，同時(shí)運(yùn)用催化劑也不能使平衡發(fā)生移動(dòng)，步驟④、⑤有利于提高原料的轉(zhuǎn)化率，C項(xiàng)錯(cuò)誤；產(chǎn)品液氨可用酸汲取生成的銨態(tài)氮肥，液氨蒸發(fā)會(huì)汲取大量熱，可用作制冷劑，D項(xiàng)正確。3．Ⅰ.氮的固定是幾百年來科學(xué)家始終探討的課題。(1)下表列舉了不同溫度下大氣固氮和工業(yè)固氮的部分化學(xué)平衡常數(shù)K的值。反應(yīng)大氣固氮N2(g)＋O2(g)2NO(g)工業(yè)固氮N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)溫度/℃27200025400450平衡常數(shù)K3.84×10－310.15×1080.5070.152①分析數(shù)據(jù)可知：大氣固氮反應(yīng)屬于________(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。②分析數(shù)據(jù)可知：人類不適合大規(guī)模模擬大氣固氮的緣由是____________________________________________________________。(2)工業(yè)固氮反應(yīng)中，在其他條件相同時(shí)，分別測定N2的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)(p1、p2)下隨溫度變更的曲線，如圖所示的圖示中，正確的是________(填“A”或“B”)；比較p1、p2的大小關(guān)系：______________。Ⅱ.目前工業(yè)合成氨的原理是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。(3)在肯定溫度下，將1molN2和3molH2混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，測得氣體總物質(zhì)的量為2.8mol。①達(dá)平衡時(shí)，H2的轉(zhuǎn)化率α1＝________。②已知平衡時(shí)，容器壓強(qiáng)為8MPa，則平衡常數(shù)Kp＝________(用平衡分壓代替濃度計(jì)算，分壓＝總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。解析：Ⅰ.(1)①由表中數(shù)據(jù)可知隨溫度從27℃上升到2000℃，K值增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，說明正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)；②大氣固氮的K值小，轉(zhuǎn)化率低。(2)工業(yè)固氮，隨溫度上升，K值減小，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，N2的轉(zhuǎn)化率降低，所以A正確。取相同的溫度，p1→p2，N2的轉(zhuǎn)化率上升，說明平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，說明壓強(qiáng)增大，p2＞p1。Ⅱ.(3)①設(shè)達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)的N2的物質(zhì)的量為amol，列三段式：N2＋3H22NH3n(始)/mol130n(變)/mola3a2an(平)/mol1－a3－3a2a由(1－a)＋(3－3a)＋2a＝2.8解得，a＝0.6，H2的轉(zhuǎn)化率為60%。②N2的平衡分壓為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,7)×8))MPa，H2、NH3的平衡分壓均為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,7)×8))MPa，Kp＝eq\f(p2NH3,pN2·p3H2)＝eq\f(49,192)。答案：Ⅰ.(1)①吸熱②大氣固氮的K值小，正向進(jìn)行的程度小(或轉(zhuǎn)化率低)，不適合大規(guī)模生產(chǎn)(2)Ap2＞p1Ⅱ.(3)①60%②eq\f(49,192)(或0.255或0.26)4．“丁烯裂解法”是一種重要的丙烯生產(chǎn)方法，但生產(chǎn)過程中會(huì)有生成乙烯的副反應(yīng)發(fā)生。測得上述兩反應(yīng)的平衡體系中，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)隨溫度(t)和壓強(qiáng)(p)變更的趨勢分別如圖1和圖2所示。圖1圖2(1)平衡體系中丙烯和乙烯的質(zhì)量比是工業(yè)生產(chǎn)丙烯時(shí)選擇反應(yīng)條件的重要指標(biāo)之一，從產(chǎn)物的純度考慮，該數(shù)值越高越好，從圖1和圖2中表現(xiàn)的趨勢來看，下列反應(yīng)條件最相宜的是________(填標(biāo)號(hào))。A．300℃0.1MPaB．700℃0.1MPaC．300℃0.5MPaD．700℃0.5MPa(2)有探討者結(jié)合圖1數(shù)據(jù)并綜合考慮各種因素，認(rèn)為450℃的反應(yīng)溫度比300℃或700℃更合適，從反應(yīng)原理的角度分析其理由可能是___________________________________________________。(3)圖2中，隨壓強(qiáng)增大平衡體系中丙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，從平衡的角度說明其緣由是_________________________________。解析：(1)由題圖1可知，300℃時(shí)，乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，雖然丙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是最高，但丙烯與乙烯的質(zhì)量比最大。由題圖2可知，當(dāng)壓強(qiáng)為0.5MPa時(shí)，乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，丙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，則丙烯與乙烯的質(zhì)量比最大，故最相宜的條件