反应速率与限度理论在化工生产上的运用

考点十七 反应速率与限度理论在化工生产上的应用.课标要求认识化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。.考纲要求了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。.教材精讲1.合成氨的反应原理：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）298K时，H=92.2kJmol1特点：合成氨是一个气体体积缩小的放热的可逆反应。2.合成氨适宜条件的选择（1）选择依据：从提高反应速率的角度分析，提高反应温度、使用催化剂、适当提高氮氢比；从平衡移动的角度分析，降低温度、提高压强和适时分离反应产物氨；从实际生产的角度分析，温度和压强要与生产实际相适应。（2）选择原则：能加快反应速率；提高原料的利用率；提高单位时间内的产量；对设备条件要求不能太高。（3）合成氨的适宜条件：使用催化剂；适宜的压强：21075107Pa；适宜的温度：500左右；及时分离出氨和及时补充氮气和氢气。（4）合成氨的简要流程：原料气的制备净化压缩合成分离液氨氮气、氢气的循环使用.典型例题例1.合成氨工业中，原料气（N2、H2、少量CO、NH3）在进入合成塔之前，常用醋酸二氨合铜（）溶液来吸收CO，其反应为：Cu(NH3)2Ac +CO+NH3 Cu(NH3)2AcCO，其H0（1）必须除去CO原因是 。（2）醋酸二氨合铜（）溶液吸收原料气中CO的适宜条件是 。（3）吸收CO后的醋酸铜氨液经适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力而循环使用，其再生的条件是 。【解析】由于吸收CO的反应特点是正反应为气体体积缩小的放热反应，则：（1）除去CO是为了防止催化剂中毒。（2）吸收CO的适宜条件是选择高压、低温及浓氨水作溶液。（3）醋酸铜氨溶液再生的适宜条件是高温、低压。例2.将对空气的相对密度为0.293的N2和H2的混合气体通过一固定容积的密闭容器中合成氨，反应一段时间后，从该容器中出来的气体在747、1.01105Pa的条件下测得其密度为0.12g/L，此时达到平衡，求平衡时N2的转化率。【解析】起始时混合气的平均相对分子质量M =0.29329=8.5N2 28 6.5H2 2 19.58.5=1/3（物质的量之比）又 设起始时N2、H2的物质的量分别为1mol和3mol，平衡时生成氨气的物质的量为xmol。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)起始量 1mol 3mol 0平衡量 (1x/2)mol (33/2x)mol xmoln(平)= (1x/2)mol + (33/2x)mol + xmol=（4x）mol由PV=m/MRT得：M=mRT/PV=0.12gL10.082atm L/molk1020k1atm=10g/mol据质量守恒得：(1mol28g/mol +3mol2g/mol)( 4x）mol=10g/mol解得：x=0.6N2的转化率=（0.6mol/21mol）100%=30%答：N2的转化率为30%。.跟踪训练一.选择题（下列各题均只有一个合理答案，请将合理答案的序号填在第卷题首的答案栏内，填在其它地方无效）1.下面是合成氨的简要流程示意图：xN2（1体积）H2（3体积）压缩机热交换器有催化剂的合成塔冷凝器液氨沿x路线回去的物质是A.N2和H2 B.催化剂 C.N2 D.H22.合成氨所需的氢气可由水和煤反应制得，其中有一步反应为CO +H2O CO2 +H2，其H0。欲提高CO的转化率可采用的方法是降低温度 增大压强 使用催化剂 增大CO的浓度 增大水蒸气的浓度A.B.C.D.3.在某合成氨厂的合成氨反应中，测得合成塔入口处气体N2、H2、NH3的体积比为6:8:1，出口处N2、H2、NH3的体积比为9:27:8，则N2的转化率为A.75% B.50% C.25% D.20%4.在固定容积的密闭容器中，氮气和氢气合成氨的反应达到了平衡，此时容器中含有0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3。若维持原来的条件，向该容器中再同时加入0.1molN2、0.3molH2、0.2molNH3，则A.正、逆反应速率同时增大，化学平衡不移动B.正、逆反应速率同时增大，平衡混合气中NH3的体积分数增大C.正、逆反应速率同时增大，化学平衡向逆反应方向移动D.正逆反应速率不变，化学平衡不移动5.将装有1mol NH3的密闭容器加热，部分NH3分解后达到平衡，此时混合气中NH3的体积分数为x%；若在同一容器中最初加入的是2mol NH3，密封、加热到相同温度，反应达到平衡时，设此时混合气体中NH3的体积分数为y%。则x和y的正确关系是A.xyB.xyC.xyD.xy二.选择题（下列各题可能有12个合理答案）6.已知1molA和nmolB按下式反应：A（g）+nB（g） mC(g) 一段时间后，测得A的转化率为50%，同温同压下，反应前的气体密度是反应后的3/4，则n和m的值可能为A.n=3 m=3 B.n=2 m=3 C.n=1 m=1 D.n=3 m=27.在一定条件下，向密闭容器中充入30molCO和20mol水蒸气，反应CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g）达到平衡时，水蒸气和与氢气的体积分数相等，则下列叙述错误的是A.平衡后，CO的体积分数为40% B.平衡后，CO的转化率为25%C.平衡后，水蒸气的转化率为50% D.平衡后，混合气体的平均相对分子质量为248.在密闭容器内，N2和H2起始的物质的量分别为10mol、30mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为A.15mol和25% B.20mol和50% C.20mol和75% D.40mol和80%zx或yx或yz浓度0 t1 t2 t3 时间9.今有x(g)+y(g) 2z(g)，H（298K）0，若反应开始经t1s后达到平衡，又经t2s后，由于反应条件的改变使平衡破坏。到t3s时又达到平衡。如图所示，试分析从t2s到t3s曲线变化的原因是A.增大了x或y的浓度B.使用了催化剂C.增大了反应体系的压强D.升高了反应体系的温度10.工业合成氨中，N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，其H0，常采用700k左右的温度条件，其原因是A.加快反应速率 B.提高原料的转化率 C.使平衡向合成氨的方向移动 D.使催化剂的活性达到最佳状态11.在一定条件下，将1molN2和3molH2混合，发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，平衡后测得混合气体的密度是相同条件下氢气密度的5倍，则N2的转化率为A.10% B.30% C.50% D.60%12. 在合成氨工业中，达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是A.为增加氨气的日产量，不断将氨分离出来B.为增加氨气的日产量，使用催化剂C.为增加氨气的日产量，而采用1107Pa 1108Pa的压强D.为增加氨气的日产量，而采用700K左右的高温13. 工业上用来合成氨的原料之一是氢气，有一种来源是取自石油气，有人设计了以下反应途极高温径，假设反应都能进行，其中最合理的是A.C3H8 C +H2 高温脱氢B. C3H8 C3H6+H2催化剂C. C3H8 +H2O CO +H2 电解D. C3H8 +O2CO2+H2O； H2O O2 +H2逆正Odt/sbaY/molL1s114. 在容积固定不变的4L密闭容器中，存在可逆反应：X（g）+2Y（g） 2Z（g），并达到化学平衡，在此过程中，以Y的浓度改变表示的反应速率正、逆与时是t的关系如图所示，则图中阴影部分表示：A.X的浓度减少 B.Y物质的量的减少 C.Z的浓度的增加 D.X物质的量的减少三、实验题15.某研究性学习小组为了探究合成氨的原理，设计了下列实验装置。下图中A是简易的氢气发生器，B是圆底烧瓶，盐酸aC干燥剂锌粒ABD还原铁粉E酚酞试液C是装有干燥剂的U形管，a是旋转活塞，D是装有还原铁粉的反应管，E是装有酚酞试液的烧杯。实验前先检查装置的气密性。实验开始时，先关闭活塞a，并取下烧瓶B；向A中加入一定量的适当浓度的盐酸，使之产生氢气。经必要的操作后，在导管出口处点燃氢气，然后如上图所示装上烧瓶B，塞紧瓶塞，氢气在烧瓶中继续燃烧，用酒精灯加热反应管D中的还原铁粉，待B中氢气的火焰熄灭后，打开活塞a，气体通过反应管D进入烧杯E中。（1）实验前，如何检查装置的气密性？（2）点燃氢气前必须进行 操作，进行该操作的方法是 。（3）写出A中反应的离子方程式： ；B、D中发生反应的化学方程式：B： ；D： 。（4）C中干燥剂的名称是 ，该干燥剂的作用是 。（5）E中的实验现象是 ，原因是（用电离方程式进行回答） 。（6）工业生产上合成氨一般选择的压强是20MPa50MPa，其原因是 。16.已知氯水中有如下平衡：Cl2+H2O HCl +HClO。常温下，在一个体积为50mL的针筒里吸入40mLCl2后，再吸入10mL水。（1）写出针筒中可能观察到的现象： 。（2）若将此针筒长期放置，又可能看到何种变化 ，试用平衡的观点解释 。（3）若把针筒中的氯水分成、份。第份加少量固体NaHSO3，第份加少量固体NaHCO3，第份不加任何物质，保持原样。则三份氯水中c(HClO)的大小是 。（4）若在针筒中的氯水加入氢氧化钠的酚酞试液，红色褪去。其原因可能有两种，分别是： ； 。如何用实验方法确认上述原因： 。四、填空题17（）在容积不变的密闭容器中，分别充入10mol N2和30molH2，任其发生反应：N2(g）+3H2（g）2NH3（g），分别在不同时测定NH3的含量，然后绘制出下图：试回答下列问题：（1）A、C段的曲线是增函数，C、E段曲线是减函数，试从反应速率和化学平衡的角度说明理由： （2）此可逆反应的正反应是 反应（填“放热”或“吸热”），在实际生产上，合成氨反应一般选择在500左右的温度下进行，试从化学平衡移动原理和综合因素等角度分析“选择在500左右下进行”的原因： （）利用天然气合成NH3的工艺流程如下：依据上述流程，完成下列填空：（3）天然气脱硫时的化学反应方程式是 （4）nmol甲烷经一次转化后产生CO 0.9nmol，则产生H2 摩（用含n的代表式表示）。（5）上述过程中包含了三个循环，一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3循环，请在上述流程图中标出第三处循环（指出循环方向和循环物质）。18、在硫酸工业生产过程中，有反应2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）(正反应为放热反应)，根据下表提供的不同压强下SO2的转化率（%）的数据试选择该反应的适宜条件（以V2O5作催化剂） 压强温度1105Pa5105Pa10105Pa50105Pa100105Pa45097.598.999.299.699.750085.692.994.997.798.3（1）温度 ；（2）压强 。19.已知N2(g）+3H2（g）2NH3（g），正反应为放热反应，2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g），正反应为放热反应。回答下列问题：（1）从影响反应速率、平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是 ；实际上采取的措施分别是 。（2）在实际生产中，合成氨要分离出氨，目的是 ；而合成三氧化硫的过程中，不需要分离出三氧化硫，原因是 。20.合成氨厂通过测定反应前后气体的密度来确定氮气的转化率。某工厂测得合成塔中氮气和氢气混合气体的密度为0.5536g/L（标准状况），从合成塔出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L。则该合成氨厂氮气的转化率为 。 “反应速率与限度理论在化工生产上的应用”参考答案一、选择题1.A 2.C 3.C4.B 5.B 二、选择题6.CD 7.B 8.C 9.D 10.AD 11.B 12.BD13.C 14.C(提示：因可逆反应中YZ的化学计量数相等，所以根据图像可得，oabd和obd围成的面积大小在数值上分别等于正反应Z浓度的增加量和逆反应Z浓度的减少量，由此可见，图中阴影部分面积即为在时间t内Z浓度的净增量)三、实验题15.（1）在A中放入少量水，使水面刚好浸没漏斗下端，打开旋塞a，在B底部稍加热，若在A中漏斗颈内水面上升，且E中导管口有气泡逸出，停止加热后E中导管有水柱上升，表示装置不漏气（也可关闭活塞a，用同样的方法分别在烧瓶B底部和反应管D下部稍加热，检查活塞前后两部分装置是否漏气。两种回答都正确）。（2）检验氢气的纯度；用排水法收集一试管氢气，用拇指堵住试管口，移近火焰，产生轻轻的“噗”的一声（或没有尖锐的爆鸣声），表示氢气纯度合格，可以收集和点燃。（3）A中：Zn +2H+=Zn2+ +H2；点燃催化剂高温、高压B中：2H2 +O2=2H2O；D中：N2+3H2 2NH3（4）碱石灰（或生石灰、氢氧化钠固体）；吸收气体中少量的水蒸气和盐酸酸雾。（5）酚酞试液变红；NH3+H2O NH3H2O NH4+OH（6）由于合成氨的反应是一气体积缩小的可逆反应，增大压强，既有利加快反应速率，又有利于氨的合成，实际生产中，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度要求更高，从而会降低综合经济效益，因而选20MPa50MPa。光照16.（1）针筒向里缩进，气体体积变小，气体溶液颜色变浅。（2）气体、溶液颜色接近无色，最终仍有气体，大约是原氯气的一半。2HClO=2HCl+O2，HClO的减少，原平衡不断向右移动，Cl2减少，生成氧气。理论上讲：2 Cl2+2H2O=4HCl +O2（3）（4）氯水的次氯酸对酚酞漂白；氢氧化钠和氯水反应，溶液不再呈碱性，故酚酞褪色。向已褪色的溶液中滴加氢氧化钠溶液，如溶液呈