高二化學(xué)：化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨課堂練習(xí)、強(qiáng)化練習(xí)（魯科版）

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—-工業(yè)合成氨學(xué)習(xí)目標(biāo)1．理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。2．了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思維和方法.知識梳理1．合成氨條件的選擇合成氨反應(yīng)式____________________；反應(yīng)特點(diǎn)__________________________________________；速率方程_______________________________生產(chǎn)要求綜合選擇生成NH3速率大NH3的平衡濃度大各物質(zhì)濃度溫度壓強(qiáng)催化劑※2。合成氨工業(yè)（1）原理__________________________（2）生產(chǎn)過程包括造氣、凈化、合成氨三部分。=1\＊GB3①造氣:N2來自于___________________，H2__________________________。=2\*GB3②凈化的目的____________________________________；=3\*GB3③合成氨包括_____________、_______________、________________等。學(xué)習(xí)導(dǎo)航1．方法導(dǎo)引以合成氨為例掌握化工生產(chǎn)中適宜條件選擇的一般原則：(1)從化學(xué)反應(yīng)速率分析（C、P、T、催化劑）（2）從化學(xué)平衡移動分析(C、P、T、催化劑）（3）從原料的利用率分析（增加易得廉價原料，提高難得高價原料的利用率，降低成本）（4）從實際生產(chǎn)能力分析(如設(shè)備的承溫承壓能力）總之，實際化工生產(chǎn)中受諸多因素的影響，必須綜合分析選出適合工廠生產(chǎn)的最適宜條件。2．例題解析例1．可逆反應(yīng)3H2（g）+N2（g)2NH3(g);△H＜0，達(dá)到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是（）A．升高溫度，降低壓強(qiáng)，增加氮?dú)釨．降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑C．升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)釪．降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨解析:本題要求增加合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率,就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應(yīng)的其他條件，使更多的氫氣轉(zhuǎn)化為氨.從化學(xué)平衡分析也就是向正反應(yīng)方向移動。先分析溫度的影響,合成氨是放熱反應(yīng)，從理論上分析應(yīng)采用盡可能低的溫度，選項A、C中升高溫度是錯誤的。合成氨反應(yīng)前后都是氣體物質(zhì),反應(yīng)前氣體體積比反應(yīng)后氣體體積更大，所以增加壓強(qiáng)會使平衡向著氣體體積減小的方向進(jìn)行,即向正反應(yīng)方向移動,選項A是錯誤的，其他選項中增大壓強(qiáng)是正確的。有關(guān)濃度的影響，增加反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度，會使平衡向著正反應(yīng)方向移動，在合成氨反應(yīng)中即是增加氮?dú)夂蜏p少（分離出）氨是正確的選項.加入催化劑可加速反應(yīng)的進(jìn)行，但對平衡移動無影響,選項B是錯誤的。所以只有選項D是正確的。答案:D例2．在容積相同的不同密閉容器中內(nèi)，分別充入同量的N2和H2，在不同溫度下，任其發(fā)生反應(yīng)：3H2+N22NH3，并分別在t0秒時測定其中NH3的體積分?jǐn)?shù)［x(NH3）］，繪成如圖的曲線。（1)A、B、C、D、E五點(diǎn)中，尚未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點(diǎn)是_____________。（2）此可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是____熱反應(yīng).（3）AC段曲線是增函數(shù)，CE段曲線是減函數(shù)，試從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡角度說明理由。解析：C點(diǎn)左側(cè)因x（NH3)不斷增大，所以反應(yīng)尚未達(dá)到化學(xué)平衡，即圖中A、B點(diǎn)為尚未達(dá)到化學(xué)平衡的點(diǎn)。C點(diǎn)則為剛好達(dá)到平衡的點(diǎn)。右側(cè)則以化學(xué)平衡移動為主，因升溫，NH3的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，平衡向左移動,所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。答案；(1）A、B（2)放熱基礎(chǔ)訓(xùn)練1．下列事實中能應(yīng)用平衡移動原理解釋的是：（ ）A．H2、I2、HI平衡混合氣加壓后顏色變深B．加入催化劑有利于氨氧化的反應(yīng)C．500℃2．關(guān)于催化劑的敘述,正確的是（)A．催化劑在化學(xué)反應(yīng)前后性質(zhì)不變B．催化劑在反應(yīng)前后質(zhì)量不變，故催化劑不參加化學(xué)反應(yīng)C．反應(yīng)物中的某些雜質(zhì)能使催化劑失去活性，造成催化劑“中毒”D．催化劑可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率3．合成氨工業(yè)中，常加熱至500℃A．加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到化學(xué)平衡所需時間B．加快V正，減小V逆C．使平衡向合成氨方向移動D．提高原料轉(zhuǎn)化率4．已知反應(yīng)N2（g）+CO2(g）NO（g）+CO(g）；ΔH=373。2kJ.mol—1，要有利于取得有毒氣體NO和CO的最大轉(zhuǎn)化率，可采取的措施是()A．低溫低壓B．高溫高壓C．低溫高壓D．高溫低壓5．在密閉容器中可逆反應(yīng)：N2+3H22NH3達(dá)到平衡后，若保持溫度不變，縮小容器體積,達(dá)到新平衡時，下列說法正確的是(）①NH3的濃度增大，N2和H2的濃度減少②NH3的物質(zhì)的量增大,N2和H2的物質(zhì)的量減少③H2的轉(zhuǎn)化率增大,N2的轉(zhuǎn)化率不變④混合氣體的平均分子量增大A．①④B．②④C．①②D．③④6．合成氨所用的H2可由煤與H2O反應(yīng)制得,其中有一步反應(yīng)為CO(g）+H2O(g)CO2（g）+H2(g）；ΔH＜0，欲提高提高CO的轉(zhuǎn)化率，可采用的方法可能有：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，其中正確的組合有（）A．①②③B．④⑤C．①⑤D．⑤7．在一定條件下，合成氨氣反應(yīng)N2+3H22NH3達(dá)到平衡時，有50%H2轉(zhuǎn)化為NH3，若N2的轉(zhuǎn)化率為25％,則起始時充入容器中的N2和H2的物質(zhì)的量之比為（)A．3：2B．1：2C．1：3D．2:38．在一固定容積的反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)：2SO2+O22SO3；ΔH＜0,下述三種情況，其中開始反應(yīng)時反應(yīng)速率最快，達(dá)到平衡時,SO2的轉(zhuǎn)化率最低的是(）①400℃，10molSO2和5molO2反應(yīng)②400℃,20molSO2和5molO③400℃，10molSO2和5molO2A．①B．②C．③D．無法確定9．在一定溫度下，將1molCO和1molH2O（氣)充入某固定容積的反應(yīng)器中反應(yīng)：CO+H2O（g)CO2（g)+H2（g）達(dá)到平衡得CO2為0。6mol，再通入4molH2O(g），達(dá)到新平衡后，CO2的物質(zhì)的量是(）A。等于0.6molB.等于1molC.大于0。6mol小于1molD。大于1mol10．對于平衡體系mA(g）+nB（g)pC（g)+qD（g)；ΔH＜0,有下列判斷，其中正確的是（）A．若溫度不變，將容器的體積增大1倍，此時A的濃度變?yōu)樵瓉淼?.48倍，則m+n＞p+qB．若平衡時，A、B的轉(zhuǎn)化率相等,說明反應(yīng)開始時，A、B的物質(zhì)的量之比為m：nC．若平衡體系共有氣體amol，再向其中加入bmolB,當(dāng)重新達(dá)到平衡時，氣體的總物質(zhì)的量等于（a+b）mol,則m+n=p+qD．溫度不變時,若壓強(qiáng)增大至原來的2倍，達(dá)到新平衡時，總體積一定比原體積的1/2要小11．將顏色相近的NO2和Br2（g)分別裝入注射器中，將活塞同時向外拉，使氣體體積擴(kuò)大1倍，下列敘述錯誤的是（）A．NO2的顏色比Br2（g）顏色深B．兩種氣體的顏色均比原來淺C．Br2（g）的壓強(qiáng)比NO2變化小D．Br2（g)的壓強(qiáng)比NO2變化大12．在一定條件下，把1體積N2和3體積H2的混合氣體充入一密閉容器中,使之反應(yīng)并達(dá)到平衡，此時H2的轉(zhuǎn)化率為30%，請解答（填〉、<或=）（1）假定此時N2的轉(zhuǎn)化率為α，則α______30％。（2）假定只升高溫度,平衡時N2的轉(zhuǎn)化率為b，則b_______α。（3)假定只增大壓強(qiáng),平衡時N2的轉(zhuǎn)化率為c,則c_______α。(=，〈，〉）（4)在上述條件下，把1體積N2和m體積H2混合并達(dá)到平衡，若此時H2的轉(zhuǎn)化率為35％,則m____3.13．合成氨工業(yè)的原料氣中含有少量CO，CO會使催化劑中毒，因此,在進(jìn)入合成塔前必須將其除去.一般用醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)為：Cu（NH3)2Ac+CO+NH3［Cu（NH3）3］Ac·COΔH＜0（1）醋酸二氨合銅（Ⅰ）吸收CO的生產(chǎn)適宜條件是_____________；（2)吸收CO后的醋酸銅氨溶液經(jīng)處理后可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用。醋酸銅氨溶液再生的生產(chǎn)適宜條件是_____________。14．對于反應(yīng)aA+bBcC+dD，瞬時速率V(正)=k1C(A）a。C(B)b。將4molSO2和2molO2充入容積為2L的密閉容器中，500℃進(jìn)行反應(yīng)并保持溫度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡時，SO2（1）起始時正反應(yīng)速率是平衡時的_____倍.(2)500℃時該反應(yīng)的平衡常數(shù)K（3）在溫度不變時再向平衡體系中加入2molSO3、2molO2和4molSO2,平衡將向________移動。15．一定條件下，將1molA投入容積為1L的密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：2A(g）B(g）+xC(g)；ΔH＞0，經(jīng)tmin，反應(yīng)達(dá)到平衡，此時A的轉(zhuǎn)化率為p%，容器內(nèi)壓強(qiáng)也增大p%。計算該反應(yīng)方程式中的x值。拓展提高1．反應(yīng)CaCO3（s）CaO（s）+CO2↑在不同溫度下CO2的平衡壓強(qiáng)如下表:溫度/℃550650750850897壓強(qiáng)/Pa5。32×1019.17×1028.37×1034。94×1041。01×105（1）若升高原CaCO3分解平衡體系的壓強(qiáng),同時給反應(yīng)容器加壓，則原平衡(）A．向左移動B．向右移動C．不移動D．無法確定平衡移動（2）在一個與外界不能進(jìn)行熱交換的密閉容器中，足量的CaCO3在850℃時建立了分解平衡。若將該容器的容積擴(kuò)大為原來的2倍，當(dāng)重新達(dá)到平衡時，容器內(nèi)的溫度將________，CO2的平衡壓強(qiáng)將______4。94×104（＞，＜,＝2．在一定條件下,用CO和H2為原料合成甲醇，其反應(yīng)方程式為：CO+2H2CH3OH(g）.當(dāng)原料氣中H2和CO的比例不同時，對CO的轉(zhuǎn)化率以及平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)都有影響。（1)以m表示H2和CO的物質(zhì)的量之比（即H2：CO=m：1)，α表示CO的平衡轉(zhuǎn)化率，x為平衡中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)，則x=_______________(2)下表列出m=1，2，3，4時部分實驗數(shù)據(jù),據(jù)此數(shù)據(jù)得出反應(yīng)物的比例對CO轉(zhuǎn)化率（α）以及平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)（x）產(chǎn)生影響的結(jié)論，并在實際生產(chǎn)中選擇最佳的反應(yīng)配比。m1234α0。250.450。560。62x16.7％21。5%19。4％16。4%①所得結(jié)論是___________________________________；②反應(yīng)物的最佳配比是__________。3．已知T℃、PkPa時，在容積為VL密閉容器中充有1molA和1molB。保持恒溫恒壓，使反應(yīng)：A（g)+B（g）C(g）達(dá)到平衡時，C的體積分?jǐn)?shù)為40％。試回答有關(guān)問題：(1)欲使溫度和壓強(qiáng)在上述條件下恒定不變,在密閉容器中充入2molA和2molB，則反應(yīng)達(dá)到平衡時,容器的容積為________,C的體積分?jǐn)?shù)為_______.(2)若另選一容積固定不變的密閉容器，仍控制溫度為T℃，使1molA和1molB反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，C的體積分?jǐn)?shù)仍為40％，則該密閉容器的容積為________?？茖W(xué)前沿“壓”出來的變化由于固體、液體的體積受壓強(qiáng)影響較小，當(dāng)一個平衡體系中只有固體或液體時，可以認(rèn)為改變壓強(qiáng)平衡不移動。然而，這一結(jié)論僅適用于在一定范圍內(nèi)改變壓強(qiáng)，如果壓強(qiáng)的增大超過一定限度，則常常會出現(xiàn)一些奇妙而有趣的變化。我們知道石墨和金剛石互為同素異形體，它們的密度分別為2。22g。cm-3和3。51g.cm-3。根據(jù)化學(xué)平衡移動原理,增加壓強(qiáng)應(yīng)有利于金剛石的合成,科學(xué)家為此進(jìn)行了長達(dá)數(shù)十年的探索。終于，在20世紀(jì)50年代，美國通用汽車公司利用高溫（2000℃)、高壓（20000atm)將石墨轉(zhuǎn)化為了金剛石。此后,許多科學(xué)家對這種超高壓的神奇作用產(chǎn)生了濃厚的興趣。1989年，日本科研人員有別處心裁地將炸藥和炭粉混合并用石蠟固化后裝入鋼制敞口容器，沉入一個直徑8m，深約5m的混凝土制水槽內(nèi)（防止炭被空氣中的氧氣氧化），點(diǎn)火起爆，最后將容器中的水取出靜置，獲得了直徑為0.002μm～0.003μ氫能是一種高效無污染的新能源，但其缺點(diǎn)是儲存時所占的體積過大.科學(xué)家設(shè)想:既然氫與鋰、鈉、鉀等同屬ⅠA族元素,如果給氫分子加上高壓，將氫分子壓跨，每個氫原子的電子就可能和臨近的原子核十分接近而成為所有的氫原子共同占有的自由電子,非金屬氫轉(zhuǎn)變成金屬氫。而一旦得到穩(wěn)定的金屬氫，人們便獲得一種高能量密度的無污染能源。美國華盛頓卡內(nèi)基研究所的毛何匡和魯塞爾。赫姆利根據(jù)這一分析，并通過艱苦努力，終于用250萬個大氣壓在—196℃的條件下將氣體“氫”此外，高壓研究的另一個重要的方面是高壓引起的物質(zhì)相變。水在常溫下是液體，但在高壓下會變成固體，科學(xué)研究表明在小于200GPa的高壓范圍內(nèi),水有8個高壓相，即8種不同的冰。高壓對物質(zhì)的熔點(diǎn)也會產(chǎn)生影響，對固態(tài)熔化成液態(tài)體積增大的物質(zhì)，增加壓強(qiáng)，熔點(diǎn)升高。如水銀的熔點(diǎn)在1atm下為-39℃，而在15000atm下為10℃.對熔融時體積縮小的物質(zhì)，壓強(qiáng)增大，熔點(diǎn)降低，如冰在1atm下熔點(diǎn)是0℃非平衡態(tài)化學(xué)長期以來，物理學(xué)家認(rèn)為自發(fā)過程總是使體系趨于平衡。有序原理是唯一的支持從無序列到有序的物理學(xué)原理，但當(dāng)用這個有序原理來解釋生物學(xué)現(xiàn)象時卻碰到了很大麻煩。按照幾率觀點(diǎn)，生物有序狀態(tài)的形成是一種高度不可幾的事件。大家都知道，自然界中約有20種不同的氨基酸，一個蛋白質(zhì)分子可以包括成千上萬個氨基酸,這成千上萬個氨基酸分子可以有許多種不同的排列方式，假定各種排列方式的出現(xiàn)幾率是相等的，那么形成某種特定氨基酸排列方式的蛋白質(zhì)分子的幾率是極小的。假如蛋白質(zhì)分子中的氨基酸排列方式可以自動調(diào)整，若要得到一個具有特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子,需要等待的時間長得不可想象。比方說一個具有100個氨基酸的蛋白質(zhì)分子，這些氨基酸分子中包括20個不同的種類，那么這100個氨基酸分子可有多達(dá)約10130種不同的排列方式。假定蛋白質(zhì)分子每秒可變換其氨基酸分子的排列方式有100萬次（實際上顯然不可能這么快），

那么要形成一個特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，

需要等待長達(dá)10124秒,而根據(jù)目前資料表明地球的年齡才只有1017秒，因此上面的推理顯然不正確。這清楚地說明根本不可能用有序原理的幾率概念來解釋生物有序的現(xiàn)象。實際上即使在無生命界也能發(fā)現(xiàn)許多自發(fā)形成的有序結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，比如天空中時而形成的魚鱗狀白云，一些巖石的規(guī)則花紋，松花蛋中的漂亮“松花”等等。這些自組織現(xiàn)象顯然是一種高度不可幾事件，只能用非平衡原理來解釋。

按照經(jīng)典熱力學(xué)的觀點(diǎn)，非平衡只是一種暫時的現(xiàn)象，不可逆過程總是起一種耗散能量和破壞有序結(jié)構(gòu)的作用。為了描述實際體系和實際過程必須拋棄熱力學(xué)方法而采用動力學(xué)的方法。在某些條件下，體系通過和外界環(huán)境不斷交換物質(zhì)和能量以及通過內(nèi)部的不可逆過程（能量耗散），無序態(tài)有可能失去穩(wěn)定性，某些漲落可被放大而體系達(dá)到某種有序的狀態(tài)，這種有序狀態(tài)被稱為耗散結(jié)構(gòu)（Dissipative

Structure），因為他們的形成需要能量的耗散。

耗散結(jié)構(gòu)這一新概念的確立，使得人們對自然界的發(fā)展規(guī)律有了更完整的認(rèn)識，它第一次使人們認(rèn)識到非平衡態(tài)和不可逆過程也可以在建立有序方面起到積極的作用.這不僅有利于人們認(rèn)識自然界中的各種有序現(xiàn)象，也有利于去利用這些有序現(xiàn)象，因而它展示了廣闊的應(yīng)用前景.大氣臭氧層中的化學(xué)平衡地球表面有大氣層覆蓋，離地