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2019版-高考一轮化学苏教版讲义专题7-专题突破14-化学平衡的调控在化工生产中的重要作用

(十四)化学平衡的调控在化工生产中的重要作用
(第139页)
[考纲知识整合]
实例——工业合成氨的原理与条件选择
1．反应原理
(1)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
(2)反应特点：①反应为可逆反应；②正反应为放热反应；③反应物、生成物均为气体，且正反应为气体物质的量减小的反应。
2．反应条件的选择
反应
条件
对化学反
应速率的影响
对平衡混合
物中氨含量的影响
合成氨条
件的选择
增大
压强
增大反应
速率
平衡正向移动，提高平衡混合物中氨的含量
压强增大，有利于氨的合成，但需要动力大，对材料、设备的要求高。故采用10～30 MPa的高压
升高
温度
增大反应
速率
平衡逆向移动，降低平衡混合物中氨的含量
温度要适宜，既要保证反应有较快的速率，又要使反应物的转化率不能太低。故采用400～500 ℃左右的温度，并且在该温度下催化剂的活性最大
使用催
化剂
增大反应速率
没有影响
工业上一般选用铁触媒作催化剂
3．原料气的充分利用
合成氨反应的转化率较低，从原料充分利用的角度分析，工业生产中可采用循环操作的方法可提高原料的利用率。
[高考命题点突破]
命题点1　化工生产中条件的调控
1．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法中正确的是(　　)
A．这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行
B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率
B　[这是一个放热的熵减反应，只有当ΔH－TΔS＜0时，该反应才能自发进行，A错误；加入过量的B，可以提高A的转化率，B正确；升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；使用催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高反应物的转化率，D错误。]
2．工业上利用焦炭与水蒸气生产H2的反应原理为C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)；ΔH＞0，CO(g) ＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0第二步生产的原料CO来源于第一步的产物。为提高原料的利用率及H2的日产量，下列措施中不可取的是(　　)
①第一步产生的混合气直接作为第二步的反应物
②第二步生产应采用适当的温度和催化剂
③第一、二步生产中均充入足量水蒸气
④第二步应在低温下进行
⑤第二步生产采用高压
⑥第二步生产中增大CO的浓度
A．①③⑤ B．②④⑥
C．②③⑤ D．①④⑤⑥
D　[第一步产生的H2使第二步的平衡逆向移动，故应先进行分离，①错；第二步反应为放热反应，温度过低，反应速率太小而影响产量，温度过高则对平衡不利，且要考虑催化剂的活性，故应选择适当的温度和催化剂，故②正确，④错；增大廉价易得的水蒸气浓度可提高转化率，③正确；压强对第二步反应无影响，不必采取高压，⑤错；增大CO浓度并未提高主要原材料C的利用率，⑥错。 ]
3．工业制SO3的反应为2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＜0，实际生产时一般采用常压和400～500 ℃条件下的理由分别是____________________
_______________________________________________________________。
【答案】　常压下，SO2的转化率已较高，且高压需要强度大的设备和动力，成本较高；
正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，不利于增大转化率，但采用400～500 ℃，此时催化剂活性最大，反应速率最大
命题点2　化学平衡在化工生产中的综合应用
[典例导航]
　(2016·全国Ⅱ卷，节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。
回答下列问题：
(1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：
①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)　
ΔH＝－353 kJ·mol－1
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是_______________________________________________
________________________________________________________________；
高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。
A．催化剂活性降低 B．平衡常数变大
C．副反应增多 D．反应活化能增大

图(a)　　　　　　　　　　　图(b)
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为________，理由是________________________________
________________________________________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
[审题指导]　

＝1.0→丙烯腈的产率最高，根据反应①n(氨)∶n(O2)＝1∶1.5，故n(氨)∶n(空气)＝1∶(1.5×5)＝1∶7.5
【答案】　(1)降低温度、降低压强　催化剂
(2)不是　该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低　AC
(3)1　该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低　1∶7.5∶1

　从平衡的角度分析图(a)中低于460 ℃和高于460 ℃产率的变化的理由是_________________________________________________________________
________________________________________________________________。
【答案】　低于460℃，反应速率较慢，反应未达到平衡，随着温度升高，反应向正反应方向进行，产物增多；
高于460℃，反应速率较快，反应达到平衡，随着温度升高，平衡向逆向移动，产物减少

条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意催化剂的活性对温度的限制
[对点训练]
　(2018·宝鸡质检)近年来化学家研究开发出用乙烯和乙酸为原料、杂多酸作催化剂合成乙酸乙酯的新工艺，不必生产乙醇或乙醛作中间体，使产品成本降低，具有明显经济优势。其合成的基本反应为：CH2===CH2(g)＋CH3COOH(l)CH3COOC2H5(l)，在n(乙烯)与n(乙酸)物料比为1的条件下，某研究小组在不同压强下进行了在相同时间点乙酸乙酯的产率随温度的变化的测定实验，实验结果如图所示。

回答下列问题：
(1)温度在60～80 ℃范围内，乙烯与乙酸反应的速率由大到小的顺序是________[用v(p1)、v(p2)、v(p3)分别表示不同压强下的反应速率]，分析其原因为______________________________________________________________
_______________________________________________________________。
(2)压强为p1 MPa、温度为60 ℃时，若乙酸乙酯的产率为30%，则此时乙烯的转化率为________。
(3)在压强为p1 MPa、温度超过80 ℃时，乙酸乙酯产率下降的原因可能是_________________________________________________________________
________________________________________________________________。
(4)根据测定实验结果分析，较适宜的生产条件是______(填出合适的压强和温度)。为提高乙酸乙酯的合成速率和产率，可以采取的措施有________(任写出一条)。
【解析】　(1)由题图知，在60～80 ℃范围内，v(p1)＞v(p2)＞v(p3)。该反应为气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，乙酸乙酯的产率增大，故p1>p2>p3，对于有气体参与的反应，其他条件相同时，压强越大，反应速率越快。(2)乙烯与乙酸乙酯的化学计量数相等，故乙烯的转化率与乙酸乙酯的产率相等。(4)根据题图，p1 MPa、80 ℃时乙酸乙酯的产率最大，为较适宜的生产条件。根据平衡移动原理，通入乙烯气体或增大压强，均可提高乙酸乙酯的合成速率和产率。
【答案】　(1)v(p1)＞v(p2)＞v(p3)　其他条件相同时，对于有气体参与的反应，压强越大化学反应速率越快　(2)30%　(3)由图象可知，p1 MPa、80 ℃时反应已达平衡且正反应放热，故压强不变升高温度平衡逆向移动，产率下降　(4)p1 MPa、80 ℃　通入乙烯气体或增大压强
备选考点| “等效平衡”在平衡状态比较中的应用(教师选讲)
[考纲知识整合]
1．等效平衡的概念
在相同条件下(恒温、恒容或恒温、恒压)，同一可逆反应体系，不管是从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始，在达到化学平衡状态时，任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同，这样的化学平衡互称为等效平衡。
2．等效平衡的类型
等效类型
①
②
③
条件
恒温、恒容
恒温、恒容
恒温、恒压
反应的特点
任何可逆反应
反应前后气体分子数相等
任何可逆反应
起始投料
换算为化学方程式同一边物质， 其“量”相同
换算为化学方程式同一边物质，其“量”符合同一比例
换算为化学方程式同一边物质，其“量”符合同一比例
平衡特点
质量分数
(w%)
相同
相同
相同
浓度(c)
相同
成比例
相同(气体)
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
3．实例
在恒温恒容条件下，可逆反应：2A(g)＋B(g) 3C(g)＋D(g) 　ΔH＝－Q1 kJ·mol－1(Q1>0)，起始物质的量如表所示：
序号
A
B
C
D
①
2 mol
1 mol
0
0
②
4 mol
2 mol
0
0
③
1 mol
0.5 mol
1.5 mol
0.5 mol
④
0
1 mol
3 mol
1 mol
⑤
0
0
3 mol
1 mol
(1)上述反应达到平衡时，互为等效平衡的是哪几组？①③⑤。
(2)达到平衡后，①放出的热量为Q2 kJ，⑤吸收的热量为Q3 kJ，则Q1、Q2、Q3的定量关系为Q2＋Q3＝Q1。
(3)其他条件不变，当D为固体时，上述反应达到平衡时，互为等效平衡的是哪几组？①②③⑤。
(4)将“恒温恒容”改为“恒温恒压”，a.上述反应达到平衡时，互为等效平衡的是哪几组？①②③⑤。b.达平衡后①②放出的热量分别为Q1和Q2，则Q1与Q2的关系Q2＝2Q1。
4．平衡状态比较的三种思维模板
(1)构建恒温恒容平衡思维模式
新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成，相当于增大压强。

(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例，见图示)
新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加，压强不变，平衡不移动。

(3)恒温恒容与恒温恒压条件平衡比较模式(起始量相同)

[高考命题点突破]
命题点1　同温同容条件下等效平衡的应用
1．(2018·石家庄模拟)同温度下，体积均为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.6 kJ/mol。测得数据如表：

容器
编号
起始时各物质的物质的量/mol
达到平衡时体系能量的变化
N2
H2
NH3
①
2
3
0
27.78 kJ
②
1.6
1.8
0.8
Q
下列叙述不正确的是(　　) 【导学号：91720239】
A．容器①、②中反应达平衡时压强相等
B．容器②中反应开始时v(正)>v(逆)
C．容器②中反应达平衡时，吸收的热量Q为9.26 kJ
D．若条件为“绝热恒容”，容器①中反应达平衡时n(NH3)<0.6 mol
B　[根据容器①中反应达到平衡时能量的变化可知，该反应中转化的N2为＝0.3 mol，因此根据三段式法可得
　　　　 N2(g)＋　3H2(g) 2NH3(g)
起始/(mol) 2 3 0
转化/(mol) 0.3 0.9 0.6
平衡/(mol) 1.7 2.1 0.6
故平衡常数K＝≈0.023<≈0.069，因此容器②中反应向逆反应方向进行，v(正)<v(逆)，B项错误；容器①和容器②中平衡为等效平衡，A项正确；容器②中反应达到平衡时生成0.1 mol N2，因此吸收的热量为92.6 kJ/mol×0.1 mol＝9.26 kJ，C项正确；若条件改为“绝热恒容”，还达到原来的平衡，反应放热，体系的温度升高，而该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，故容器①中反应达到平衡时，NH3的物质的量小于0.6 mol，D项正确。]
2．在体积恒定的密闭容器中，充入3 mol A和1 mol B发生反应3A(g)＋B(g) xC(g)，达到平衡后，C在平衡混合气体中的体积分数为φ。若维持温度不变，按1.2 mol A、0.4 mol B、0.6 mol C为起始物质。
(1)若达到平衡后C的体积分数仍为φ，则x的值是________(填字母，下同)。
A．1　　 B．2
C．3 D．4
(2)若达到平衡后压强不变，C的体积分数仍为φ，则x的值是________。
A．1 B．2
C．3 D．4
【解析】　第(1)题只要满足φ相等，属于等效平衡，满足题中条件应用回归定比法，x可等于1也可等于4。第(2)题不仅要满足平衡时φ相等，且压强不变，即物质的量不变，属于等效平衡，必须用回归定值法，即1.2 mol＋＝3 mol,0.4 mol＋＝1 mol，解得x＝1。
【答案】　(1)AD　(2)A
命题点2　同温同压条件下等效平衡的应用
3．恒温恒压下，在一个容积可变的密闭容器中发生反应：A(g)＋B(g) C(g)，若开始时通入1 mol A和1 mol B，达到平衡时生成a mol C。则下列说法错误的是(　　) 【导学号：91720240】
A．若开始时通入3 mol A和3 mol B，达到平衡时，生成的C的物质的量
为3a mol
B．若开始时通入4 mol A、4 mol B和2 mol C，达到平衡时，B的物质的
量一定大于4 mol
C．若开始时通入2 mol A、2 mol B和1 mol C，达到平衡时，再通入3 mol
C，则再次达到平衡后，C的物质的量分数为
D．若在原平衡体系中，再通入1 mol A和1 mol B，混合气体的平均相对
分子质量不变
B　[选项A，开始时通入3 mol A和3 mol B，由于容器体积膨胀，保持恒压，相当于将三个原容器叠加，各物质的含量与原平衡中的相同，C的物质的量为3a mol；选项B，无法确定平衡移动的方向，不能确定平衡时B的物质的量一定大于4 mol；选项C，根据题给数据可算出达到平衡时C的物质的量分数为；选项D，这种条件下混合气体的平均相对分子质量不变。]
命题点3　恒温恒压与恒温恒容条件下的状态比较
4．有甲、乙两容器，甲容器容积固定，乙容器容积可变。一定温度下，在甲中加入2 mol N2、3 mol H2，反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)达到平衡时生成NH3的物质的量为m mol。 【导学号：91720241】
(1)相同温度下，在乙中加入4 mol N2、6 mol H2，若乙的压强始终与甲的压强相等，乙中反应达到平衡时，生成NH3的物质的量为________mol(从下列各项中选择，只填字母，下同)；若乙的容积与甲的容积始终相等，乙中反应达到平衡时，生成NH3的物质的量为________mol。
A.小于m　　B．等于m　　C．在m～2m之间
D．等于2m　　E．大于2m
(2)若开始时甲、乙两容器的容积相同，甲保持恒温恒容达到平衡，乙保持恒温恒压通入2 mol N2和3 mol H2达到平衡，两容器平衡时，转化率α(N2)，甲________乙(填“>”“<”或“＝”)。
【解析】　(1)由于甲容器定容，而乙容器定压，当它们的压强相等达到平衡时，乙的容积应该为甲的两倍，生成的NH3的物质的量应该等于2m mol。当甲、乙两容器的体积相等时，相当于将建立等效平衡后的乙容器压缩，故乙中NH3的物质的量大于2m mol。(2)起始加入量相同，平衡时乙中的压强大，反应程度大，α(N2)大。
【答案】　(1)D　E　(2)<

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