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2021届高三化学《化学反应条件的优化 工业合成氨》复习教案3
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这是一份2021届高三化学《化学反应条件的优化 工业合成氨》复习教案3，共22页。教案主要包含了投影并讲解，交流·研讨，学生回答，教师小结，迁移应用，投影材料等内容，欢迎下载使用。
江苏省邳州市第二中学高三化学《化学反应条件的优化 工业合成氨》复习教案3
知识与技能：
１.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；
２.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；
３通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。
过程与方法：
在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。
情感态度与价值观：
认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。
教学重难点：应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。
课型：新课
课时安排：１课时
教学过程：
【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？
【学生】回答
【注意】催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。
【教师】今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。首先我们看看合成氨的有关背景。
【投影】展示弗里茨·哈伯的图像
【投影】弗里茨·哈伯与合成氨
合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
化学热力学
化学动力学
化学反应的方向
化学反应的限度
化学反应的速率
工艺流程
化学工艺学
高压对设备材质、
加工制造的要求、温度
的催化剂活性的影响等
合成氨反应能否自发
怎样能促使化学反应向合成氨方向移动
怎样能提高合成氨反应速率
适宜的合成氨条件
【投影并讲解】
【交流·研讨】P65
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ·mol—1 ， △S = -198.2J·K—1·mol—1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？
298K下合成氨反应的平衡常数K为4.1×106（mol·L—1)—2
【学生】假设△H和△S不随温度变化，算得T<465.2K 。
【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：
【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol
(1体积) (3体积) (2体积)
【学生】①可逆反应 ②熵减小的反应 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
【板书】第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
一、合成氨反应的限度
【交流·研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。P65
【投影】
NH3%
0.60.50.4
0.3
0.2
0.1
1：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6
n(N2):n(H2)
【学生回答】 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。
【板书】二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】P66
1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？
2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:
ν =κC(N2)C1. 5(H2)C—1(NH3) ， 请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：
条件
△ E /KJ/mol
k(催)/k(无)
无催化剂
335
3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂
167
催化剂对合成氨反应速率的影响
【学生回答】
1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
2.增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去
3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
【板书】三、合成氨的适宜条件
【投影】合成氨的适宜条件的选择
外界条件
使NH3生产得快
使NH3生产得多
速率分析
平衡分析
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
无影响
反应物的浓度
增大浓度
增大浓度
生成物氨的浓度
减小浓度
减小浓度
【交流·研讨】
研讨的内容
研讨的问题
研讨的结构
1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好
温度怎么选择？
3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？
要不要用催化剂？
【分析】1、压强怎么选？
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
【结论】综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。
【分析】2、温度怎么选择？
①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。
②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。
③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
【结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。
【分析】3、用不用催化剂？
经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。
【结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。
【分析】4、浓度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？
增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。
【结论】实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。
【投影】研讨的结果
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强
温度
适宜温度 700K左右
催化剂
使用铁触媒作催化剂
浓度
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去
【板书】合成氨的方程式（注意条件）
【小结】
【教师小结】
工业上利用某可逆反应生产产品：
1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；
2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；
3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
【教师】我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家。
【投影】合成氨的工业前景
1、催化剂
合成氨的铁催化剂
这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加 各种促进剂和载体的催化剂.
促进剂：稀土金属及其氧化物
关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。国外也报 道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因此， 以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。
合成氨的钌催化剂
合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高10—20倍，且对水、CO和CO2不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。
2.化学模拟生物固氮
现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。
3.超声波固氮：
氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。
【迁移应用】P70、2
工业制造硫酸的主要反应为:
2SO2(g) + O2(g) === 2SO3(g) △H=-197.8 KJ/mol ①
SO3(g) + H2O(l) === H2SO4 (aq) ②
反应①的平衡常数K随温度升高而减小.
所用催化剂的主要成分为V2O5(6％-12％) 、K2SO4(17％-20％) 、SiO2(50％-70％),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等.
请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度 、压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.
【投影材料】已知2SO2(g)+O2(g)2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表
（1）应选用的温度是 450℃ 。
（2）应采用的压强是 常压 ，理由是 因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高 。
（3）在生产中，通入过量空气的目是 。
（4）原料气必需净化的原因是 。
(5)尾气中有SO2必须回收是为了 。
【主板书】
第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
一、合成氨反应的限度
二、合成氨反应的速率
ν =κC(N2)C1. 5(H2)C—1(NH3)
三、合成氨的适宜条件
1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高
了经济效益；
2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；
3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、
设备等。
（第二课时）
【题１】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（B）
①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨
A.②④⑤ B.②④⑦ C. ①④⑤ D.②③⑥
【解析】合成氨工业利用N2＋3H22NH3 ΔH< 0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。故综上所述有②④⑦。
【题２】在一定条件下，可逆反应N2＋3H22NH3 ΔH< 0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（CD）
A.加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等
B.加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数
C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数
D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数
【解析】催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应ΔH< 0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。故C、D均不正确。
【题３】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（A）
A.增大水蒸气的浓度 B.升高温度 C.增大CO浓度 D.增大压强
【解析】欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，必然要求改变条件使平衡向正反应方向移动。CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0从中可知本反应为气体系数不变且正反应放热的反应，所以可以提高反应物水蒸气的浓度。升高温度虽然可以提高反应速率，但会使平衡向左移，如果降低温度，可使平衡右移，却又会降低反应速率，但会符合题目要求，可惜无此选项。增大CO浓度，虽可以提高H2的产率，但自身的转化率却会降低。压强对气体系数不变的反应无影响。
【题４】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3 ：1 ：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9 ：3 ：4，则此时N2的转化率为（A）
A.10% B.20% C.15% D.30%
【解析】 3H2 ＋ N2 2NH3
起始量 ３ １ 1
转化量 3x x 2x
平衡量 ３－３x 1－x 2x
(３－x)：（1－x）：2x＝9 ：3 ：4故x=0.1
所以N2的转化率为
【题５】在一定条件下，2NH33H2＋N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（B）
A.１：１ B.２：３ C.３：２ D.２：１
【解析】 2NH33H2 ＋ N2
起始量 x 0 0
转化量 50%x 0.75x 0.25x
平衡量 0.5x 0.75x 0.25x
反应前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反应后与反应前密度之比等于物质的量的反比，即为。
【题６】在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N2＋3H22NH3 ΔH< 0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则下列说法中正确的是（BD）
A.平衡不移动 B.平衡向正方向移动
C.平衡向逆反应方向移动 D.NH3的百分含量增加
【解析】将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则反应的速率增大，其他条件不变也就是说将气体进行压缩，容器体积减小，使平衡向气体系数减小的方向移动，故平衡向正方向移动。进而使NH3的百分含量增加。
【题７】在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%，含H2的体积分数为78%，经过合成反应达到平衡后，在相同的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（B）
A.12.5% B.11.4% C.10.5% D.9%
【解析】设原气体体积为V，则平衡后体积为V－0.95V
N2 ＋ 3H2 2NH3 ΔV
1 3 2 2
转化中 0.025V 0.075V 0.05V V－0.95V
所以N2的转化率为
【题８】工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（D）
A. 700 K 时此反应速率最快 B. 700 K 时氨的平衡浓度最大
C. 700 K 时氨的转化率最高 D. 700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用
【解析】温度越高反应速率越快，所以排除A选项；N2＋3H22NH3 ΔH< 0，所以温度越高氨的平衡浓度越大，转化率越高，所以排除B、C选项。综合可得只有D选项最贴切。
【题９】有关合成氨工业的说法中，正确的是（B）
A.从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂效率都很低
B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强是20～50 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最大
【解析】本题主要是理解合成氨的过程，以及温度、浓度、催化剂等对该反应的影响，不难选出答案。
【题10】一密封体系中发生反应：N2＋3H22NH3（正反应为放热反应）下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：
回答下列问题：（１）处于平衡状态的时间段是 。
（２）t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？
（３）下列时间段中，氨的百分含量最高的是（）
A.０～t1 B.t2～t3 C. t3～t4 D. t5～t6
【解析】本题主要是要学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在这条件反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是０－t1，t2－t3，t3－t4，t5－t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v(逆)>v(正)，N2＋3H22NH3（正反应为放热反应）故温度升高，v(逆)>v(正)。图中t3时刻从原来的速率增大，而且变化过程中v(逆)＝v(正)，说明平衡都未被打破。所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻的变化，v’(逆)、v’(正)都减小且v’(逆)>v’(正)，所以不可能是温度的影响，应该是浓度的影响，而且是浓度减小的变化，所以是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。
（第三课时）
【题1】在一定条件下将含1 mol NH3的体积不变的密闭容器加热，发生反应2NH33H2＋N2，一段时间后达到平衡，此时NH3的体积分数为 x %，若在容器中再加入1 mol NH3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡，设此时NH3的体积分数为 y %，则x 和 y 的关系正确的是（A）
A.x y C. x＝y D. x≥y
【解析】体积不变的密闭容器，多加NH3后相当于加压，使平衡向气体体积系数缩小的方向移动，所以NH3的体积分数会大一点，即有.x
A.（V1＋V2－V3）L B.（V1＋V2＋V3）L
C.（V1＋V2－2V3）L D.[V3－（V1＋V2）] L
【解析】 N2 ＋ 3H2 2NH3 ΔV
1 3 2 2
（V1＋V2－V3）L
根据比例即可得到答案。
【题3】根据下列叙述，完成（１）～（３）题。
工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气，例如丙烷。
（１）有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（C）
极高温
高温脱氢
A.C3H8 C＋H2
催化剂
△
B. C3H8 C3H6＋H2
电解
△
C. C3H8＋H2O CO＋H2，CO＋H2O===CO2＋H2
D. C3H8＋O2===CO2 ＋ H2O,，H2O H2↑＋O2↑
（２）按以上最合理的反应途径，理论上用1 mol 丙烷最多可制得氨气（B）
A.4 mol B.6.7 mol C.10 mol D.2.7 mol
（３）该合理反应途径最显著的优点是（C）
A.简单易行 B.制得的H2纯度高 C.制得的H2产量高 D.可同时获得大量热能
催化剂
△
【解析】(1)从产量、能源等角度进行考虑。
（２）C3H8＋3H2O 3CO ＋ 7H2， CO＋H2O===CO2＋H2
1mol 3mol 7mol 3mol 3mol
1mol C3H8可生成10mol H2
N2 ＋ 3H2 2NH3
3 2
10mol (6.7mol)
【题4】把氮气和氢气按１：１的物质的量比混匀后分成四等份，分别同时充入A、B、C、D四个装有催化剂的真空容器中（容器的容积固定），在保持相同温度的条件下，四个容器中的合成氨反应达到化学平衡状态。分析下表中实验数据回答问题（用A、B、C、D填空）。
容器代号
A
B
C
D
平衡时混合物的平均相对分子质量
16
17
平衡时氮气的转化率
20%
平衡时氢气的转化率
30%
(1)都达到平衡时， 容器中氨气的物质的量最大。
(2)达到平衡时所需时间最长的容器是 。
(3)四个容器由小到大的排列顺序是 。
【解析】设氮气和氢气均为１mol
N2 ＋ 3H2 2NH3
起始量 1mol 1mol 0
A.平衡 0.8mol 0.4mol
B平衡 0.7mol 0.2mol
１６＝ n1=
17= n1=
N2 ＋ 3H2 2NH3 Δn
1 3 2 2
2—15/8 C平衡
2－30/17 D平衡
【题5】.向体积不变的密闭容器中充入2 mol N2和6 mol H2，一定条件下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，平衡时混合气共7 mol。令a、b、c分别代表N2、H2、NH3起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变。则：
(1)若a＝0，b＝0，则c＝ ；
(2)若a＝0.7，b＝2.1，则：
①c＝
②这时反应向 进行；
③若要维持反应开始时即向该反应方向进行，c的取值范围是 ；
(3)欲使起始反应维持向与（２）相反的方向进行，则b的取值范围是 。
【解析】(1)根据等效平衡，可利用完全转化的思维进行变化。应与起始相等。
N2 ＋ 3H2 2NH3
起始１ ２mol 6mol 0mol
起始２ ０mol 0mol c mol
转化 0.5cmol 1.5cmol c mol
极限 0.5cmol 1.5cmol 0mol
0.5cmol＝２mol c＝4
(2)符合题设条件的各起始量之差应与反应式中相应系数成比例。
① N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
起始 ２ ６ ０
条件 0.7 2.1 c
0.7＋0.5c＝２ c＝2.6
②题设条件平衡时共7 mol气体，而(2)小题起始量才5.4mol(0.7mol＋2.1mol＋2.6mol)，所以起始反应向逆反应方向进行。
③从三个极限起始量考虑，即N2转化率等于0时，2 mol N2、6 mol H2、n(NH3)＝０；N2转化率等于100%时，n(N2)＝０、n(H2)＝０、n(NH3)＝4 mol；现求平衡时各成分的物质的量，设平衡时N2转化了x mol，
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
２ ６ ０
x 3x 2x
2－x 6－3x 2x
依题意：(2－x)＋(6－3x)＋2x＝7，x＝0.5所以平衡时，n(N2)＝1.5 mol、n(H2)＝4.5 mol、n(NH3)＝1 mol
将三个极限起始量加以分析对比：
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
２ ６ ０（N2转化率为０时起始量）
1.5 4.5 1（平衡量为起始量）
０ ０ ４（N2转化率为100%时起始量）
可以看出，为了维持反应开始向逆反应方向进行，c的起始范围是1
（１）判断该反应达到平衡状态的标志是 。（填字母）
a.SO2和SO3浓度相等 b.SO2百分含量保持不变 c.容器中气体的压强不变d.SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等 e.容器中混合气体的密度保持不变
（２）欲提高SO2的转化率，下列措施可行的是 。（填字母）
a.向装置中再充入N2 b.向装置中再充入O2
c.改变反应的催化剂 d.升高温度
（３）求该反应达到平衡时SO2的转化率（用百分数表示）。
（４）若将平衡混合气体的５%通入过量的BaCl2溶液，生成沉淀多少克？
【解析】判断该反应达到平衡状态的标志可以从v正＝v逆，或者各组分百分含量不随时间变化而变化，若不是等体积的反应可以从压强或颜色等不再随时间变化而变化均可以判断该反应已经达到平衡。要提高其中一种反应物的转化率，可以加入另一种反应物，或者根据反应方程式属于吸热还是放热反应来变化温度。
消耗的O2的物质的量：0.7mol－
生成的SO3的物质的量：0.45mol2＝0.9mol
SO2和SO3的物质的量之和：
反应前的SO2的物质的量：0.95mol
SO2的转化率：
【题7】在３L的某容器中，测得平衡时N2为0.50 atm，H2为0.52 atm，NH3为2.63 atm，若从此容器中取走NH3直至N2在平衡时分压为0.40 atm。试计算在新的平衡条件下NH3和H2的分压。
【解析】首先根据题意计算平衡常数Kp
取走NH3后，平衡向右移动，就消耗一定量H2，这时N2的分压为0.40atm，根据合成氨方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每消耗1mol的N2，就必须用掉３mol H2。因此H2必须按照物质的量的浓度的减少而成比例地降低它的压力。N2的压力降低为（0.5－0.4）atm＝0.1atm，所以H2的压力降低为(0.52－0.13)atm＝0.22atm。
在平衡时N2的分压为0.40atm，H2为0.22atm，设p(NH3)在平衡时为x，代入Kp表达式中：
解得x＝0.647atm＝p(NH3)。
（第四课时）
【题1】在体积可变的密闭容器中，反应mA(g)＋nB(s)pC(g)达到平衡后，压缩容器的体积，发现A的转化率随之降低。下列说法中，正确的是（C）
A.(m＋n)必定小于p B.(m＋n)必定大于p C.m必定小于p D.m必定大于p
【解析】压缩容器的体积，A的转化率降低，说明压强增大时平衡向逆反应方向移动，逆反应是气体体积（气体系数）缩小的反应，即m
A.反应物分子间的碰撞 B.反应物活化分子间的碰撞
C.能发生化学反应的碰撞 D.反应物活化分子间有合适取向的碰撞
【解析】反应物分子间的碰撞是随时可以发生的，但是只有反应物活化分子之间的碰撞才可能发生化学反应，而能发生化学反应的碰撞就是有效碰撞，这也正是活化分子中有合适取向的碰撞。
【题３】可逆反应2NO22NO＋O2在密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是（B）
①单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO
②单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO2
③用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为２：２：１的状态
④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①③⑤ B.②④⑥ C.②③④ D.③④⑤
【解析】化学平衡状态的本质特征是正、逆反应速率相等。①中当生成n mol O2时，必然同时生成2n mol NO。在任何时刻均是这样。因为两者生成物，且物质的量之比为n(O2)：n(NO)＝１：２，所以不是平衡状态的标志；②中单位时间内生成n mol O2时，由方程式可知必然消耗2n mol NO2，这样单位时间内NO2的消耗量和生成量相等，达到平衡状态；③中主要是针对正反应或逆反应，在任何时刻都有这个比值关系；④中，混合气中只有NO2有颜色，呈红棕色，当混合气体的颜色不再改变时，表示NO2的浓度不再改变，表明达到平衡状态；⑤混合气体的密度等于混合气体的质量除以混合气体的体积。由于反应物和生成物均是气体，由质量守恒定律得反应前后混合气体的质量保持不变，而密闭容器的体积也是固定不变的，所以混合气体密度保持不变，不能由恒定不变的量来判断反应是否达到平衡状态；⑥混合气体的平均相对分子质量为总质量除以总气体物质的量，总质量恒定不变，气体物质的量发生变化，当变到不再改变时，表明达到平衡状态。
【题４】在一密闭容器中，反应mA(g) nC(g) ＋nB(g)达平衡后，保持温度不变，将容器容积压缩到原来的一半，当达到新的平衡时，B和C的浓度均是原来的1.8倍，则（A）
A.平衡向逆反应方向移动了 B.物质A的转化率增加了
C.物质C的质量分数增加了 D.m>2n
【解析】由于c＝n/V，当V变为原来的一半时，如果平衡不发生移动，则n不变，c必然是原来的２倍。现在B和C的浓度均是原来的1.8倍，则说明B和C均减少，进而推知平衡向左移动。而物质C的质量分数等于C的质量占混合体系总质量的百分数，而总质量不变，所以C的质量分数减小，物质A的量增加，所以A的转化率减小。而增加压强，平衡向气体体积减小的方向移动，所以m<2n。
【题５】可逆反应mA(g)＋nBpC(g)＋qD中，A和C都是无色气体，达到平衡后，下列叙述正确的是(D)
A.若增加B的量，平衡体系颜色加深，说明D是固体
B.增大压强平衡不移动，说明m＋n一定等于p＋q
C.升高温度，A的转化率减小，说明正反应是吸热反应
D.若B是气体，增大A的量，A、B转化率并不都增大
【解析】由方程式可知，BD的凝聚状态不确定选项A中增加B的量，若B是有颜色的气体，则B的量在任何时刻都比原来大，平衡体系颜色应加深，这时D既可以是固体也可以是气体，若D是有颜色的气体，当平衡向右移动之后，平衡体系颜色也加深。选项B中，增大压强平衡不移动，则说明反应物气体计量数之和等于生成物的气体计量数之和，而物质B和D的状态不确定，所以m＋n和p＋q的关系也不确定。选项C中，升高温度，A的转化率减小，表明平衡向左移动，说明逆反应是吸热反应，则正反应必定是放热反应。选项D中，若物质B是气体，增大A的量，平衡向右移动，B的转化率增大，A的转化率减小。
【题６】一定温度下，在恒容密闭容器中发生如下反应2A(g)＋B(g)3C(g)，若反应开始时充入2 molA和2 molB达到平衡后，A的体积分数为a%，其他条件不变时，若按下列四种配比作为起始物质，平衡后A的体积分数大于a%的是（AB）
A.2 mol C B.2 mol A、1 mol B和１mol He（不参加反应）
C.1 mol B和1 mol C D.2 mol A、3 mol B和3 mol C
【解析】本题主要考查对等效平衡和平衡移动原理的理解。该反应为反应前后气体体积不变的反应，A项中若将2 mol C全部转化为A、B，分别得到4/3 mol A和2/3 mol B，与起始加入的2 mol A和2 mol B比较，相当于少加了B，A的转化率减小，百分含量增加；B项中，加入He对平衡无影响，也相当于少加了B，A的含量增加；由C项的投料情况看，反应只能逆向进行，而1 mol B对逆向反应有抑制作用，致使A的含量减少；D项若按2 mol A、2 mol B和3 mol C与原来2 mol A和2 mol B等效，多余的1 mol B使A的转化率增大，百分含量减小。
【题7】如右图，装有活塞的密闭容器内盛有22.4 mL一氧化氮。若通入11.2 mL氧气（气体体积均在标准状况下测定），保持温度、压强不变，则容器内的密度为（D）
A.等于1.369 g•L－１ B. 等于2.054 g•L－１
C.在等于1.369 g•L－１和等于2.054 g•L－１之间 D.大于2.054 g•L－１
【解析】2NO＋O2＝2NO2由方程式可以看出，22.4 mL一氧化氮与11.2 mL氧气恰好完全反应生成NO2，由于存在2NO2N2O4，所以混合气体应该是NO2和N2O4的混合气体，其密度应该大于NO2的而小于N2O4的。在标准状况下，二氧化氮的密度可计算得2.054 g•L－１，N2O4等于1.369 g•L－１，分析各选项可知答案。
【题８】在一固定容积的密闭容器中充入2 mol A和1 mol B，发生反应2A(g)＋B(g)xC(g)，达到平衡后，C的体积分数为W ％。若维持容器体积和温度不变，按0.6 mol A，0.3 mol B和1.4 mol C为起始物质，达到平衡后，C的体积分数也为W %，则x值为（BC）
A.1 B.2 C.3 D.4
【解析】这样题目属于等效平衡的问题。一种平衡状态的建立只与条件有关而与途径无关。在恒容恒温的密闭容器中，若反应前后气体计量数和不相等，要想建立同一种平衡状态，则两组数据值必须完全对应相等，该题中，则有0.6 mol ＋2/x1.4mol＝2 mol ，同时必定有0.3 mol＋1/x1.4mol＝1 mol，解得x＝２，由于n(A)：n(B)＝0.6 mol：0.3 mol＝2：１，与第一次中物质A、B的物质的量相等，所以，当反应前后计量数和相等时，也符合题意，所以x也可等于3。
【题9】一定温度下，反应2SO2＋O22SO3达到平衡时，n(SO2)：n(O2)：n(SO3)＝２：３：４。缩小体积，反应再次达到平衡时，n(O2)＝0.8 mol，n(SO3)＝1.4 mol，此时SO2的物质的量应是（A）
A.0.4 mol B.0.6 mol C.0.8 mol D.1.2 mol
【解析】缩小体积时，压强增大，平衡向右，设达新平衡时SO2转化的物质的量是x，而原平衡中三者物质的量分别是2a，３a，4a。
2SO2 ＋ O2 2SO3
原平衡 ２a 3a 4a
转化 x x/2 x
新平衡 ２a－x 3a－x/2 4a＋x
3a－x/2＝0.8 mol 4a＋x＝1.4 mol 解得a＝0.3 mol x＝0.2 mol
n(SO2)＝２0.3 mol－0.2 mol＝0.4 mol
【题10】在一个固定体积的密闭容器中，加入2 mol A和1 mol B，发生反应２A(g)＋B(g)３C(g)＋D(g)，达到平衡时，C的浓度为 a mol•L－１。若维持容器体积和温度不变，按下列四种配比为起始物质，达到平衡后，C的浓度仍为a mol•L－１的是（）
A.4 mol A＋2 mol B B.2 mol A＋1 mol B＋3 mol C＋1 mol D
C.3 mol C＋1 mol D＋1 mol B D.3 mol＋1 mol D
【解析】思路方法同第８题，即由于反应前后计量数不同，只能取起始条件相同，当反应只从逆反应开始时，与2 mol A和1 mol B相当的量只能是3 mol C和1 mol D。
【题11】在体积固定的密闭容器中进行下列反应，达到平衡后若升高温度，则混合气体平均相对分子质量一定增大的是（D）
A.2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) (正反应为放热反应)
B.2C2H2(g)＋5O2(g)4CO2(g)＋2H2O(g) （正反应为放热反应）
C.2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(g) （正反应为吸热反应）
D.4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g) （正反应为放热反应）
【解析】M＝m(总)／n(总)，A选项中，升高温度，平衡向左移动，m(总)不变，但n(总)减少，所以，M减小；同理，B选项也如此；C选项中，升高温度，平衡向右移动，由于有固体物质生成，所以混合气体的总质量和总物质的量均减少，不能再依据公式判断M的变化，应该采用极限法。由数值可知，平衡右移时，M减小；D选项中，平衡左移，n(总)减小，所以M增大。
【题12】决定化学反应速率的主要因素是（B）
①温度 ②压强 ③催化剂 ④浓度 ⑤反应物本身的性质
A.①②③④⑤ B.⑤ C.①④ D. ①②③④
【解析】决定化学反应速率的主要因素，也就是内因就是反应物本身的结构和性质。
【题13】下图表示某反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
ΔH＝－a kJ·mol－１（a>0）在某一时间段t0～t6中反应速率与反应过程的曲线图，则氨的百分含量最高的一段时间是（A）
A.０～t1 B.t2～t3 C. t3～t4 D. t5～t6
【解析】这是一个v～t图分析题。图中：０～t1，是原平衡状态，t1～t2为平衡左移过程，所以氨的百分含量下降，t2又达平衡状态，t2～t3保持平衡；t3～t4为加入催化剂，平衡不移动，正、逆反应速率同等程度增大，氨的百分含量不变，t4～t 5为平衡左移过程，氨的百分含量下降，t5～t为又一新平衡阶段，整个过程中，氨的百分含量间断性地下降，所以整个过程中只有在开始阶段氨的百分含量最高。
【题14】反应 aX(g)＋bY(g)cZ(g)＋dW(g) ５min后达到平衡时，X减少 n mol·L－１，Y减少n/3 mol·L－１。若体系压强增大，W的百分含量不发生变化，则反应物质分子式的化学计量数比a：b：c：d为（D）
A.１：３：１：２ B.１：３：２：２ C.３：１：２：１ D.３：１：２：２
【解析】由题意知：n mol·L－１：n/3 mol·L－１＝a：b，所以a：b=3：1，由于体系增大压强时，物质W百分含量不变，可知平衡不发生移动，可知反应前后气体计量数和相等，所以a：b：c：d＝３：１：２：２或３：１：１：３或３：１：３：１，分析选项，只有D符合。
（第五课时）
【题15】A、B、C、D四种物质皆易溶于水，且在水溶液中存在如下化学平衡，加入水稀释后，平衡向正反应方向移动的是（B）
A.A＋BC＋D B.A＋H2OC＋D
C.A＋BC＋H2O D.A＋2B＋H2OC
【解析】选项A中：加水稀释后，A、B、C、D四种物质被同等程度稀释，所以平衡不移动；选项B中，加水稀释后，A、C、D三种物质的浓度均减小，但水并未变，所以C和D的有效碰撞几率显著下降，A与水的却不显著。（对于该反应，也可作如下分析，加水后，水在混合体系中的百分含量增加，相当于水的“浓度”增加，所以平衡向右移动）；同理，选项C中，加水后平衡应左移。选项D中是一个非可逆反应，加水后平衡不移动。
【题16】在一定条件下，某密闭容器中发生了如下反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) (正反应为放热反应)，反应达到平衡后SO2、O2、SO3的物质的量之比为３:２:５。保持其他条件不变，升温后达到平衡时，SO2、O2的物质的量分别为1.4 mol和0.9 mol，此时容器内SO3的物质的量应为（）
A.1.8 mol B.2 mol C.2.2 mol D.2.4 mol
【解析】
【题17】某温度时，把1 mol N2O4气体通入体积为10 L的真空密闭容器中，立即出现棕色，反应进行4 s时NO2的浓度为0.04 mol·L－１，再经过一定时间后，反应达到平衡，这时容器内压强为开始时的1.8倍。则下列说法正确的是（BD）
A.前4 s中以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.01 mol·L－１·s－１
B.在4 s时容器内的压强为开始时的1.2倍
C.在平衡时容器内含N2O4 0.4 mol
D.在平衡时容器内含NO2 1.6 mol
【解析】因为出现红棕色，所以说生成了NO2气体。2NO2N2O4，4s时，生成的NO2的物质的量是c(NO2)V＝0.04 mol·L－１10L＝0.4 mol，则消耗的N2O4是0.2 mol，剩余的N2O4是0.8 mol，这时混合气体的总物质的量是0.4 mol ＋0.8 mol＝1.2 mol。由压强之比等于物质的量之比可知，4s时容器压强为开始时1.2倍，前4s中，v(N2O4)＝=0.005 mol•L－１•s－１ ；平衡时，混合气体总物质的量＝1 mol1.8＝1.8 mol，设这时容器中共有NO2的物质的量为x，则剩余N2O4的物质的量应是1 mol－x/2，则（1 mol－x/2）＋x＝1.8 mol，x=1.6 mol，则剩余N2O4的物质的量是1 mol－1.6mol/2＝0.2 mol。
【题18】右图中的曲线是表示其他条件一定时，2NO＋O22NO2（该反应放热）反应中NO的转化率与温度的关系曲线，图中标有a、b、c、d四点，其中表示未达到平衡状态，且v(正)>v(逆)的点是（）
A.a点 B,.b点 C.c点 D.d点
【解析】做图形题一定要先弄明白坐标轴及曲线的含义：在曲线上，当温度一定时（横坐标），n(NO)也一定（纵坐标），所以说，曲线上任意一点均是达平衡状态的点，而曲线外的任一点均表示未达平衡状态。在曲线下方的任意一点，如c点，要想达到同温下的平衡状态（即由c点向上引垂直线到曲线的一点），必须使n(NO)增大，即平衡应向右移动，这时v(正)>v(逆)；同理，在曲线上方的任意一点，v(逆)>v(正)。
【题19】将等物质的量的A、B、C、D四种物质混合，发生如下反应aA＋bBcC(s)＋dD。当反应进行一定时间后，测得A减少了n mol，B减少了n/2 mol，C增加了３n/２mol，D增加了n mol，此时达到平衡。
（１） 该化学方程式中各物质的化学计量数为：
a＝ ，b＝ ，c＝ ，d＝ 。
（２）若只改变压强，反应速率发生变化，但平衡不发生移动，该反应中各物质的聚集状态。
A: B: C: D:
（３）若只升高温度，反应一段时间后，测知四种物质的物质的量又达到相等，则该反应为 反应（填“吸热”或“放热”）。
【解析】各物质的变化量之比等于方程式中对应的计量数之比，所以a：b：c：d＝n mol：n/2 mol：3n/2 mol：n mol＝２：１：３：２。一般情况下，各物质的计量数之比等于最简整数比，所以a＝2，b＝１，c＝3，d＝2。若只改变压强，而反应速率发生变化，则说明可逆反应中必有气体存在，但平衡不发生移动，说明反应的气体计量数之和等于生成气体计量数之和（反应物和生成物中各至少有一种气体），物质C为固体，则物质D必为气体。其计量数为2，则反应物中气体计量数之和为２，则物质A必定是气体物质，B必定为固体和液体。
升温一段时间后，四种物质的物质的量又达相等，则说明平衡向左移动，逆反应为吸热反应，正反应则是放热反应。
【题20】反应2SO2＋O22SO3进行的时间（t）和反应混合气中SO3的质量分数的关系如图所示。曲线P表示使用了催化剂，曲线Q表示未使用催化剂。由图可知，催化剂可以 ，但不能 。
【解析】由图中可以看出，使用了催化剂后平衡拐点向前移动（即由Q点到P点），说明到达平衡所用时间缩短了，反应速率加快了；图中P点与Q点中SO3的质量分数未变，说明使用催化剂不能改变达到平衡时SO3的质量分数。
【题21】将２mol H2O和2 mol CO置于1 L密闭容器中，加热至高温，发生如下可逆反应： ２H2O２H2＋O2， ２CO＋O22CO2
（１）当上述系统达到平衡时，欲求其混合气体的平衡组成，则至少还需要知道两种气体的平衡浓度，但这两种气体不能同时是 和 ， 或和 。（填它们的分子式）
（２）若平衡时O2和CO2的物质的量分别为n平(O2)＝a mol，n平(CO2)＝b mol，试求n平(H2O)＝ 。（用含a、b的代数式表示）
【解析】由两个方程式可知，两个可逆反应靠O2联系起来，只要知道了O2和另外任意一种气体的平衡浓度，均可求出混合气体的平衡组成。分析可知，当知道了H2O和H2或CO和CO2的平衡浓度时，由于两个方程无法通过O2建立反应量的关系，所以均不能够求出混合气体的平衡组成。因而不能同时是这两组。
高温
因n平(CO2)＝b mol，由２CO＋O22CO2可知，达平衡时反应掉的O2是b/2 mol，则反应２H2O２H2＋O2中生成的O2的量为（a＋b/2），消耗的水是2(a＋b/2)mol＝（2a＋b）mol，所以n平(H2O)＝2 mol－(2a＋b)mol＝（2－2a－b）mol。
【题22】在密闭容器中进行下列反应CO2(g)＋C(s) 2CO(g) ΔH>0，达到平衡后，改变下列条件，则指定物质的浓度及平衡如何变化：
（１）增加C，平衡 ，c(CO) 。
（２）减小密闭容器体积，保持温度不变，则平衡 ，c(CO2) 。
（３）通入N2，保持密闭容器体积和温度不变，则平衡 ，c(CO2) 。
（４）保持密闭容器体积不变，升高温度，则平衡 ，c(CO) 。
【解析】C为固体，增加C，其浓度并不改变，平衡不发生移动；减少容器体积，相当于增大压强，向气体体积减小的方向移动；通入N2不参加反应，并且密闭容器体积和温度不变时，各物质的浓度并不变，平衡不发生移动；其他条件相同，升高温度，平衡向吸热方向移动。
【题22】常温、常压下，A、B、C、D均为气态。A和B可发生可逆反应A＋BC＋nD。若2 mol A和2 mol B混合充入体积可变的密闭容器中，在不同条件下达平衡时C的浓度如下表：
温度／℃
压强／Pa
C平衡浓度／mol•L－１
２５
1105
1.0
２５
2105
1.8
２５
4105
3.2
２５
5105
6.0
(1)可逆反应中化学计量数n的取值范围是 ，理由是 。
(2)在1105Pa时，D的状态为 。
【解析】增加压强，平衡向逆反应方向移动，则气体分子数为1＋1<１＋n，则n>１。压强从1105 Pa变为2105 Pa时，C浓度应为2.0 mol•L－１，然而由于平衡移动，使C的浓度减小为1.8 mol•L－１，说明此时平衡向逆反应方向移动。压强从4105 Pa变到5105 Pa时，C的浓度应变为3.2 mol•L－１1.25＝4.0 mol•L－１，然而却变为6.0 mol•L－１，说明此时平衡向正反应方向移动，进一步推知此时D物质在加压条件下变为液态或固态。
江苏省邳州市第二中学高三化学《化学反应条件的优化 工业合成氨》复习教案3
知识与技能：
１.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；
２.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；
３通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。
过程与方法：
在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。
情感态度与价值观：
认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。
教学重难点：应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。
课型：新课
课时安排：１课时
教学过程：
【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？
【学生】回答
【注意】催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。
【教师】今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。首先我们看看合成氨的有关背景。
【投影】展示弗里茨·哈伯的图像
【投影】弗里茨·哈伯与合成氨
合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
化学热力学
化学动力学
化学反应的方向
化学反应的限度
化学反应的速率
工艺流程
化学工艺学
高压对设备材质、
加工制造的要求、温度
的催化剂活性的影响等
合成氨反应能否自发
怎样能促使化学反应向合成氨方向移动
怎样能提高合成氨反应速率
适宜的合成氨条件
【投影并讲解】
【交流·研讨】P65
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
已知298K时: △H= -92.2KJ·mol—1 ， △S = -198.2J·K—1·mol—1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？
298K下合成氨反应的平衡常数K为4.1×106（mol·L—1)—2
【学生】假设△H和△S不随温度变化，算得T<465.2K 。
【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：
【投影】N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol
(1体积) (3体积) (2体积)
【学生】①可逆反应 ②熵减小的反应 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
【板书】第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
一、合成氨反应的限度
【交流·研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。P65
【投影】
NH3%
0.60.50.4
0.3
0.2
0.1
1：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6
n(N2):n(H2)
【学生回答】 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。
【板书】二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】P66
1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？
2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:
ν =κC(N2)C1. 5(H2)C—1(NH3) ， 请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：
条件
△ E /KJ/mol
k(催)/k(无)
无催化剂
335
3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂
167
催化剂对合成氨反应速率的影响
【学生回答】
1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
2.增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去
3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
【板书】三、合成氨的适宜条件
【投影】合成氨的适宜条件的选择
外界条件
使NH3生产得快
使NH3生产得多
速率分析
平衡分析
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
无影响
反应物的浓度
增大浓度
增大浓度
生成物氨的浓度
减小浓度
减小浓度
【交流·研讨】
研讨的内容
研讨的问题
研讨的结构
1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好
温度怎么选择？
3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？
要不要用催化剂？
【分析】1、压强怎么选？
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
【结论】综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。
【分析】2、温度怎么选择？
①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。
②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。
③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
【结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。
【分析】3、用不用催化剂？
经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。
【结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。
【分析】4、浓度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？
增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。
【结论】实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。
【投影】研讨的结果
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强
温度
适宜温度 700K左右
催化剂
使用铁触媒作催化剂
浓度
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去
【板书】合成氨的方程式（注意条件）
【小结】
【教师小结】
工业上利用某可逆反应生产产品：
1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；
2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；
3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
【教师】我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家。
【投影】合成氨的工业前景
1、催化剂
合成氨的铁催化剂
这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加 各种促进剂和载体的催化剂.
促进剂：稀土金属及其氧化物
关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。国外也报 道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因此， 以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。
合成氨的钌催化剂
合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高10—20倍，且对水、CO和CO2不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。
2.化学模拟生物固氮
现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。
3.超声波固氮：
氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。
【迁移应用】P70、2
工业制造硫酸的主要反应为:
2SO2(g) + O2(g) === 2SO3(g) △H=-197.8 KJ/mol ①
SO3(g) + H2O(l) === H2SO4 (aq) ②
反应①的平衡常数K随温度升高而减小.
所用催化剂的主要成分为V2O5(6％-12％) 、K2SO4(17％-20％) 、SiO2(50％-70％),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等.
请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度 、压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.
【投影材料】已知2SO2(g)+O2(g)2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表
（1）应选用的温度是 450℃ 。
（2）应采用的压强是 常压 ，理由是 因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高 。
（3）在生产中，通入过量空气的目是 。
（4）原料气必需净化的原因是 。
(5)尾气中有SO2必须回收是为了 。
【主板书】
第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
一、合成氨反应的限度
二、合成氨反应的速率
ν =κC(N2)C1. 5(H2)C—1(NH3)
三、合成氨的适宜条件
1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高
了经济效益；
2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；
3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、
设备等。
（第二课时）
【题１】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（B）
①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨
A.②④⑤ B.②④⑦ C. ①④⑤ D.②③⑥
【解析】合成氨工业利用N2＋3H22NH3 ΔH< 0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。故综上所述有②④⑦。
【题２】在一定条件下，可逆反应N2＋3H22NH3 ΔH< 0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（CD）
A.加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等
B.加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数
C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数
D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数
【解析】催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应ΔH< 0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。故C、D均不正确。
【题３】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（A）
A.增大水蒸气的浓度 B.升高温度 C.增大CO浓度 D.增大压强
【解析】欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，必然要求改变条件使平衡向正反应方向移动。CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0从中可知本反应为气体系数不变且正反应放热的反应，所以可以提高反应物水蒸气的浓度。升高温度虽然可以提高反应速率，但会使平衡向左移，如果降低温度，可使平衡右移，却又会降低反应速率，但会符合题目要求，可惜无此选项。增大CO浓度，虽可以提高H2的产率，但自身的转化率却会降低。压强对气体系数不变的反应无影响。
【题４】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3 ：1 ：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9 ：3 ：4，则此时N2的转化率为（A）
A.10% B.20% C.15% D.30%
【解析】 3H2 ＋ N2 2NH3
起始量 ３ １ 1
转化量 3x x 2x
平衡量 ３－３x 1－x 2x
(３－x)：（1－x）：2x＝9 ：3 ：4故x=0.1
所以N2的转化率为
【题５】在一定条件下，2NH33H2＋N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（B）
A.１：１ B.２：３ C.３：２ D.２：１
【解析】 2NH33H2 ＋ N2
起始量 x 0 0
转化量 50%x 0.75x 0.25x
平衡量 0.5x 0.75x 0.25x
反应前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反应后与反应前密度之比等于物质的量的反比，即为。
【题６】在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N2＋3H22NH3 ΔH< 0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则下列说法中正确的是（BD）
A.平衡不移动 B.平衡向正方向移动
C.平衡向逆反应方向移动 D.NH3的百分含量增加
【解析】将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则反应的速率增大，其他条件不变也就是说将气体进行压缩，容器体积减小，使平衡向气体系数减小的方向移动，故平衡向正方向移动。进而使NH3的百分含量增加。
【题７】在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%，含H2的体积分数为78%，经过合成反应达到平衡后，在相同的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（B）
A.12.5% B.11.4% C.10.5% D.9%
【解析】设原气体体积为V，则平衡后体积为V－0.95V
N2 ＋ 3H2 2NH3 ΔV
1 3 2 2
转化中 0.025V 0.075V 0.05V V－0.95V
所以N2的转化率为
【题８】工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（D）
A. 700 K 时此反应速率最快 B. 700 K 时氨的平衡浓度最大
C. 700 K 时氨的转化率最高 D. 700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用
【解析】温度越高反应速率越快，所以排除A选项；N2＋3H22NH3 ΔH< 0，所以温度越高氨的平衡浓度越大，转化率越高，所以排除B、C选项。综合可得只有D选项最贴切。
【题９】有关合成氨工业的说法中，正确的是（B）
A.从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂效率都很低
B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强是20～50 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最大
【解析】本题主要是理解合成氨的过程，以及温度、浓度、催化剂等对该反应的影响，不难选出答案。
【题10】一密封体系中发生反应：N2＋3H22NH3（正反应为放热反应）下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：
回答下列问题：（１）处于平衡状态的时间段是 。
（２）t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？
（３）下列时间段中，氨的百分含量最高的是（）
A.０～t1 B.t2～t3 C. t3～t4 D. t5～t6
【解析】本题主要是要学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在这条件反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是０－t1，t2－t3，t3－t4，t5－t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v(逆)>v(正)，N2＋3H22NH3（正反应为放热反应）故温度升高，v(逆)>v(正)。图中t3时刻从原来的速率增大，而且变化过程中v(逆)＝v(正)，说明平衡都未被打破。所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻的变化，v’(逆)、v’(正)都减小且v’(逆)>v’(正)，所以不可能是温度的影响，应该是浓度的影响，而且是浓度减小的变化，所以是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。
（第三课时）
【题1】在一定条件下将含1 mol NH3的体积不变的密闭容器加热，发生反应2NH33H2＋N2，一段时间后达到平衡，此时NH3的体积分数为 x %，若在容器中再加入1 mol NH3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡，设此时NH3的体积分数为 y %，则x 和 y 的关系正确的是（A）
A.x
【解析】体积不变的密闭容器，多加NH3后相当于加压，使平衡向气体体积系数缩小的方向移动，所以NH3的体积分数会大一点，即有.x
A.（V1＋V2－V3）L B.（V1＋V2＋V3）L
C.（V1＋V2－2V3）L D.[V3－（V1＋V2）] L
【解析】 N2 ＋ 3H2 2NH3 ΔV
1 3 2 2
（V1＋V2－V3）L
根据比例即可得到答案。
【题3】根据下列叙述，完成（１）～（３）题。
工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气，例如丙烷。
（１）有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（C）
极高温
高温脱氢
A.C3H8 C＋H2
催化剂
△
B. C3H8 C3H6＋H2
电解
△
C. C3H8＋H2O CO＋H2，CO＋H2O===CO2＋H2
D. C3H8＋O2===CO2 ＋ H2O,，H2O H2↑＋O2↑
（２）按以上最合理的反应途径，理论上用1 mol 丙烷最多可制得氨气（B）
A.4 mol B.6.7 mol C.10 mol D.2.7 mol
（３）该合理反应途径最显著的优点是（C）
A.简单易行 B.制得的H2纯度高 C.制得的H2产量高 D.可同时获得大量热能
催化剂
△
【解析】(1)从产量、能源等角度进行考虑。
（２）C3H8＋3H2O 3CO ＋ 7H2， CO＋H2O===CO2＋H2
1mol 3mol 7mol 3mol 3mol
1mol C3H8可生成10mol H2
N2 ＋ 3H2 2NH3
3 2
10mol (6.7mol)
【题4】把氮气和氢气按１：１的物质的量比混匀后分成四等份，分别同时充入A、B、C、D四个装有催化剂的真空容器中（容器的容积固定），在保持相同温度的条件下，四个容器中的合成氨反应达到化学平衡状态。分析下表中实验数据回答问题（用A、B、C、D填空）。
容器代号
A
B
C
D
平衡时混合物的平均相对分子质量
16
17
平衡时氮气的转化率
20%
平衡时氢气的转化率
30%
(1)都达到平衡时， 容器中氨气的物质的量最大。
(2)达到平衡时所需时间最长的容器是 。
(3)四个容器由小到大的排列顺序是 。
【解析】设氮气和氢气均为１mol
N2 ＋ 3H2 2NH3
起始量 1mol 1mol 0
A.平衡 0.8mol 0.4mol
B平衡 0.7mol 0.2mol
１６＝ n1=
17= n1=
N2 ＋ 3H2 2NH3 Δn
1 3 2 2
2—15/8 C平衡
2－30/17 D平衡
【题5】.向体积不变的密闭容器中充入2 mol N2和6 mol H2，一定条件下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，平衡时混合气共7 mol。令a、b、c分别代表N2、H2、NH3起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变。则：
(1)若a＝0，b＝0，则c＝ ；
(2)若a＝0.7，b＝2.1，则：
①c＝
②这时反应向 进行；
③若要维持反应开始时即向该反应方向进行，c的取值范围是 ；
(3)欲使起始反应维持向与（２）相反的方向进行，则b的取值范围是 。
【解析】(1)根据等效平衡，可利用完全转化的思维进行变化。应与起始相等。
N2 ＋ 3H2 2NH3
起始１ ２mol 6mol 0mol
起始２ ０mol 0mol c mol
转化 0.5cmol 1.5cmol c mol
极限 0.5cmol 1.5cmol 0mol
0.5cmol＝２mol c＝4
(2)符合题设条件的各起始量之差应与反应式中相应系数成比例。
① N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
起始 ２ ６ ０
条件 0.7 2.1 c
0.7＋0.5c＝２ c＝2.6
②题设条件平衡时共7 mol气体，而(2)小题起始量才5.4mol(0.7mol＋2.1mol＋2.6mol)，所以起始反应向逆反应方向进行。
③从三个极限起始量考虑，即N2转化率等于0时，2 mol N2、6 mol H2、n(NH3)＝０；N2转化率等于100%时，n(N2)＝０、n(H2)＝０、n(NH3)＝4 mol；现求平衡时各成分的物质的量，设平衡时N2转化了x mol，
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
２ ６ ０
x 3x 2x
2－x 6－3x 2x
依题意：(2－x)＋(6－3x)＋2x＝7，x＝0.5所以平衡时，n(N2)＝1.5 mol、n(H2)＝4.5 mol、n(NH3)＝1 mol
将三个极限起始量加以分析对比：
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
２ ６ ０（N2转化率为０时起始量）
1.5 4.5 1（平衡量为起始量）
０ ０ ４（N2转化率为100%时起始量）
可以看出，为了维持反应开始向逆反应方向进行，c的起始范围是1
（１）判断该反应达到平衡状态的标志是 。（填字母）
a.SO2和SO3浓度相等 b.SO2百分含量保持不变 c.容器中气体的压强不变d.SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等 e.容器中混合气体的密度保持不变
（２）欲提高SO2的转化率，下列措施可行的是 。（填字母）
a.向装置中再充入N2 b.向装置中再充入O2
c.改变反应的催化剂 d.升高温度
（３）求该反应达到平衡时SO2的转化率（用百分数表示）。
（４）若将平衡混合气体的５%通入过量的BaCl2溶液，生成沉淀多少克？
【解析】判断该反应达到平衡状态的标志可以从v正＝v逆，或者各组分百分含量不随时间变化而变化，若不是等体积的反应可以从压强或颜色等不再随时间变化而变化均可以判断该反应已经达到平衡。要提高其中一种反应物的转化率，可以加入另一种反应物，或者根据反应方程式属于吸热还是放热反应来变化温度。
消耗的O2的物质的量：0.7mol－
生成的SO3的物质的量：0.45mol2＝0.9mol
SO2和SO3的物质的量之和：
反应前的SO2的物质的量：0.95mol
SO2的转化率：
【题7】在３L的某容器中，测得平衡时N2为0.50 atm，H2为0.52 atm，NH3为2.63 atm，若从此容器中取走NH3直至N2在平衡时分压为0.40 atm。试计算在新的平衡条件下NH3和H2的分压。
【解析】首先根据题意计算平衡常数Kp
取走NH3后，平衡向右移动，就消耗一定量H2，这时N2的分压为0.40atm，根据合成氨方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，每消耗1mol的N2，就必须用掉３mol H2。因此H2必须按照物质的量的浓度的减少而成比例地降低它的压力。N2的压力降低为（0.5－0.4）atm＝0.1atm，所以H2的压力降低为(0.52－0.13)atm＝0.22atm。
在平衡时N2的分压为0.40atm，H2为0.22atm，设p(NH3)在平衡时为x，代入Kp表达式中：
解得x＝0.647atm＝p(NH3)。
（第四课时）
【题1】在体积可变的密闭容器中，反应mA(g)＋nB(s)pC(g)达到平衡后，压缩容器的体积，发现A的转化率随之降低。下列说法中，正确的是（C）
A.(m＋n)必定小于p B.(m＋n)必定大于p C.m必定小于p D.m必定大于p
【解析】压缩容器的体积，A的转化率降低，说明压强增大时平衡向逆反应方向移动，逆反应是气体体积（气体系数）缩小的反应，即m
A.反应物分子间的碰撞 B.反应物活化分子间的碰撞
C.能发生化学反应的碰撞 D.反应物活化分子间有合适取向的碰撞
【解析】反应物分子间的碰撞是随时可以发生的，但是只有反应物活化分子之间的碰撞才可能发生化学反应，而能发生化学反应的碰撞就是有效碰撞，这也正是活化分子中有合适取向的碰撞。
【题３】可逆反应2NO22NO＋O2在密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是（B）
①单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO
②单位时间内生成n mol O2，同时生成2n mol NO2
③用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为２：２：１的状态
④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①③⑤ B.②④⑥ C.②③④ D.③④⑤
【解析】化学平衡状态的本质特征是正、逆反应速率相等。①中当生成n mol O2时，必然同时生成2n mol NO。在任何时刻均是这样。因为两者生成物，且物质的量之比为n(O2)：n(NO)＝１：２，所以不是平衡状态的标志；②中单位时间内生成n mol O2时，由方程式可知必然消耗2n mol NO2，这样单位时间内NO2的消耗量和生成量相等，达到平衡状态；③中主要是针对正反应或逆反应，在任何时刻都有这个比值关系；④中，混合气中只有NO2有颜色，呈红棕色，当混合气体的颜色不再改变时，表示NO2的浓度不再改变，表明达到平衡状态；⑤混合气体的密度等于混合气体的质量除以混合气体的体积。由于反应物和生成物均是气体，由质量守恒定律得反应前后混合气体的质量保持不变，而密闭容器的体积也是固定不变的，所以混合气体密度保持不变，不能由恒定不变的量来判断反应是否达到平衡状态；⑥混合气体的平均相对分子质量为总质量除以总气体物质的量，总质量恒定不变，气体物质的量发生变化，当变到不再改变时，表明达到平衡状态。
【题４】在一密闭容器中，反应mA(g) nC(g) ＋nB(g)达平衡后，保持温度不变，将容器容积压缩到原来的一半，当达到新的平衡时，B和C的浓度均是原来的1.8倍，则（A）
A.平衡向逆反应方向移动了 B.物质A的转化率增加了
C.物质C的质量分数增加了 D.m>2n
【解析】由于c＝n/V，当V变为原来的一半时，如果平衡不发生移动，则n不变，c必然是原来的２倍。现在B和C的浓度均是原来的1.8倍，则说明B和C均减少，进而推知平衡向左移动。而物质C的质量分数等于C的质量占混合体系总质量的百分数，而总质量不变，所以C的质量分数减小，物质A的量增加，所以A的转化率减小。而增加压强，平衡向气体体积减小的方向移动，所以m<2n。
【题５】可逆反应mA(g)＋nBpC(g)＋qD中，A和C都是无色气体，达到平衡后，下列叙述正确的是(D)
A.若增加B的量，平衡体系颜色加深，说明D是固体
B.增大压强平衡不移动，说明m＋n一定等于p＋q
C.升高温度，A的转化率减小，说明正反应是吸热反应
D.若B是气体，增大A的量，A、B转化率并不都增大
【解析】由方程式可知，BD的凝聚状态不确定选项A中增加B的量，若B是有颜色的气体，则B的量在任何时刻都比原来大，平衡体系颜色应加深，这时D既可以是固体也可以是气体，若D是有颜色的气体，当平衡向右移动之后，平衡体系颜色也加深。选项B中，增大压强平衡不移动，则说明反应物气体计量数之和等于生成物的气体计量数之和，而物质B和D的状态不确定，所以m＋n和p＋q的关系也不确定。选项C中，升高温度，A的转化率减小，表明平衡向左移动，说明逆反应是吸热反应，则正反应必定是放热反应。选项D中，若物质B是气体，增大A的量，平衡向右移动，B的转化率增大，A的转化率减小。
【题６】一定温度下，在恒容密闭容器中发生如下反应2A(g)＋B(g)3C(g)，若反应开始时充入2 molA和2 molB达到平衡后，A的体积分数为a%，其他条件不变时，若按下列四种配比作为起始物质，平衡后A的体积分数大于a%的是（AB）
A.2 mol C B.2 mol A、1 mol B和１mol He（不参加反应）
C.1 mol B和1 mol C D.2 mol A、3 mol B和3 mol C
【解析】本题主要考查对等效平衡和平衡移动原理的理解。该反应为反应前后气体体积不变的反应，A项中若将2 mol C全部转化为A、B，分别得到4/3 mol A和2/3 mol B，与起始加入的2 mol A和2 mol B比较，相当于少加了B，A的转化率减小，百分含量增加；B项中，加入He对平衡无影响，也相当于少加了B，A的含量增加；由C项的投料情况看，反应只能逆向进行，而1 mol B对逆向反应有抑制作用，致使A的含量减少；D项若按2 mol A、2 mol B和3 mol C与原来2 mol A和2 mol B等效，多余的1 mol B使A的转化率增大，百分含量减小。
【题7】如右图，装有活塞的密闭容器内盛有22.4 mL一氧化氮。若通入11.2 mL氧气（气体体积均在标准状况下测定），保持温度、压强不变，则容器内的密度为（D）
A.等于1.369 g•L－１ B. 等于2.054 g•L－１
C.在等于1.369 g•L－１和等于2.054 g•L－１之间 D.大于2.054 g•L－１
【解析】2NO＋O2＝2NO2由方程式可以看出，22.4 mL一氧化氮与11.2 mL氧气恰好完全反应生成NO2，由于存在2NO2N2O4，所以混合气体应该是NO2和N2O4的混合气体，其密度应该大于NO2的而小于N2O4的。在标准状况下，二氧化氮的密度可计算得2.054 g•L－１，N2O4等于1.369 g•L－１，分析各选项可知答案。
【题８】在一固定容积的密闭容器中充入2 mol A和1 mol B，发生反应2A(g)＋B(g)xC(g)，达到平衡后，C的体积分数为W ％。若维持容器体积和温度不变，按0.6 mol A，0.3 mol B和1.4 mol C为起始物质，达到平衡后，C的体积分数也为W %，则x值为（BC）
A.1 B.2 C.3 D.4
【解析】这样题目属于等效平衡的问题。一种平衡状态的建立只与条件有关而与途径无关。在恒容恒温的密闭容器中，若反应前后气体计量数和不相等，要想建立同一种平衡状态，则两组数据值必须完全对应相等，该题中，则有0.6 mol ＋2/x1.4mol＝2 mol ，同时必定有0.3 mol＋1/x1.4mol＝1 mol，解得x＝２，由于n(A)：n(B)＝0.6 mol：0.3 mol＝2：１，与第一次中物质A、B的物质的量相等，所以，当反应前后计量数和相等时，也符合题意，所以x也可等于3。
【题9】一定温度下，反应2SO2＋O22SO3达到平衡时，n(SO2)：n(O2)：n(SO3)＝２：３：４。缩小体积，反应再次达到平衡时，n(O2)＝0.8 mol，n(SO3)＝1.4 mol，此时SO2的物质的量应是（A）
A.0.4 mol B.0.6 mol C.0.8 mol D.1.2 mol
【解析】缩小体积时，压强增大，平衡向右，设达新平衡时SO2转化的物质的量是x，而原平衡中三者物质的量分别是2a，３a，4a。
2SO2 ＋ O2 2SO3
原平衡 ２a 3a 4a
转化 x x/2 x
新平衡 ２a－x 3a－x/2 4a＋x
3a－x/2＝0.8 mol 4a＋x＝1.4 mol 解得a＝0.3 mol x＝0.2 mol
n(SO2)＝２0.3 mol－0.2 mol＝0.4 mol
【题10】在一个固定体积的密闭容器中，加入2 mol A和1 mol B，发生反应２A(g)＋B(g)３C(g)＋D(g)，达到平衡时，C的浓度为 a mol•L－１。若维持容器体积和温度不变，按下列四种配比为起始物质，达到平衡后，C的浓度仍为a mol•L－１的是（）
A.4 mol A＋2 mol B B.2 mol A＋1 mol B＋3 mol C＋1 mol D
C.3 mol C＋1 mol D＋1 mol B D.3 mol＋1 mol D
【解析】思路方法同第８题，即由于反应前后计量数不同，只能取起始条件相同，当反应只从逆反应开始时，与2 mol A和1 mol B相当的量只能是3 mol C和1 mol D。
【题11】在体积固定的密闭容器中进行下列反应，达到平衡后若升高温度，则混合气体平均相对分子质量一定增大的是（D）
A.2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) (正反应为放热反应)
B.2C2H2(g)＋5O2(g)4CO2(g)＋2H2O(g) （正反应为放热反应）
C.2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(g) （正反应为吸热反应）
D.4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g) （正反应为放热反应）
【解析】M＝m(总)／n(总)，A选项中，升高温度，平衡向左移动，m(总)不变，但n(总)减少，所以，M减小；同理，B选项也如此；C选项中，升高温度，平衡向右移动，由于有固体物质生成，所以混合气体的总质量和总物质的量均减少，不能再依据公式判断M的变化，应该采用极限法。由数值可知，平衡右移时，M减小；D选项中，平衡左移，n(总)减小，所以M增大。
【题12】决定化学反应速率的主要因素是（B）
①温度 ②压强 ③催化剂 ④浓度 ⑤反应物本身的性质
A.①②③④⑤ B.⑤ C.①④ D. ①②③④
【解析】决定化学反应速率的主要因素，也就是内因就是反应物本身的结构和性质。
【题13】下图表示某反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
ΔH＝－a kJ·mol－１（a>0）在某一时间段t0～t6中反应速率与反应过程的曲线图，则氨的百分含量最高的一段时间是（A）
A.０～t1 B.t2～t3 C. t3～t4 D. t5～t6
【解析】这是一个v～t图分析题。图中：０～t1，是原平衡状态，t1～t2为平衡左移过程，所以氨的百分含量下降，t2又达平衡状态，t2～t3保持平衡；t3～t4为加入催化剂，平衡不移动，正、逆反应速率同等程度增大，氨的百分含量不变，t4～t 5为平衡左移过程，氨的百分含量下降，t5～t为又一新平衡阶段，整个过程中，氨的百分含量间断性地下降，所以整个过程中只有在开始阶段氨的百分含量最高。
【题14】反应 aX(g)＋bY(g)cZ(g)＋dW(g) ５min后达到平衡时，X减少 n mol·L－１，Y减少n/3 mol·L－１。若体系压强增大，W的百分含量不发生变化，则反应物质分子式的化学计量数比a：b：c：d为（D）
A.１：３：１：２ B.１：３：２：２ C.３：１：２：１ D.３：１：２：２
【解析】由题意知：n mol·L－１：n/3 mol·L－１＝a：b，所以a：b=3：1，由于体系增大压强时，物质W百分含量不变，可知平衡不发生移动，可知反应前后气体计量数和相等，所以a：b：c：d＝３：１：２：２或３：１：１：３或３：１：３：１，分析选项，只有D符合。
（第五课时）
【题15】A、B、C、D四种物质皆易溶于水，且在水溶液中存在如下化学平衡，加入水稀释后，平衡向正反应方向移动的是（B）
A.A＋BC＋D B.A＋H2OC＋D
C.A＋BC＋H2O D.A＋2B＋H2OC
【解析】选项A中：加水稀释后，A、B、C、D四种物质被同等程度稀释，所以平衡不移动；选项B中，加水稀释后，A、C、D三种物质的浓度均减小，但水并未变，所以C和D的有效碰撞几率显著下降，A与水的却不显著。（对于该反应，也可作如下分析，加水后，水在混合体系中的百分含量增加，相当于水的“浓度”增加，所以平衡向右移动）；同理，选项C中，加水后平衡应左移。选项D中是一个非可逆反应，加水后平衡不移动。
【题16】在一定条件下，某密闭容器中发生了如下反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) (正反应为放热反应)，反应达到平衡后SO2、O2、SO3的物质的量之比为３:２:５。保持其他条件不变，升温后达到平衡时，SO2、O2的物质的量分别为1.4 mol和0.9 mol，此时容器内SO3的物质的量应为（）
A.1.8 mol B.2 mol C.2.2 mol D.2.4 mol
【解析】
【题17】某温度时，把1 mol N2O4气体通入体积为10 L的真空密闭容器中，立即出现棕色，反应进行4 s时NO2的浓度为0.04 mol·L－１，再经过一定时间后，反应达到平衡，这时容器内压强为开始时的1.8倍。则下列说法正确的是（BD）
A.前4 s中以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.01 mol·L－１·s－１
B.在4 s时容器内的压强为开始时的1.2倍
C.在平衡时容器内含N2O4 0.4 mol
D.在平衡时容器内含NO2 1.6 mol
【解析】因为出现红棕色，所以说生成了NO2气体。2NO2N2O4，4s时，生成的NO2的物质的量是c(NO2)V＝0.04 mol·L－１10L＝0.4 mol，则消耗的N2O4是0.2 mol，剩余的N2O4是0.8 mol，这时混合气体的总物质的量是0.4 mol ＋0.8 mol＝1.2 mol。由压强之比等于物质的量之比可知，4s时容器压强为开始时1.2倍，前4s中，v(N2O4)＝=0.005 mol•L－１•s－１ ；平衡时，混合气体总物质的量＝1 mol1.8＝1.8 mol，设这时容器中共有NO2的物质的量为x，则剩余N2O4的物质的量应是1 mol－x/2，则（1 mol－x/2）＋x＝1.8 mol，x=1.6 mol，则剩余N2O4的物质的量是1 mol－1.6mol/2＝0.2 mol。
【题18】右图中的曲线是表示其他条件一定时，2NO＋O22NO2（该反应放热）反应中NO的转化率与温度的关系曲线，图中标有a、b、c、d四点，其中表示未达到平衡状态，且v(正)>v(逆)的点是（）
A.a点 B,.b点 C.c点 D.d点
【解析】做图形题一定要先弄明白坐标轴及曲线的含义：在曲线上，当温度一定时（横坐标），n(NO)也一定（纵坐标），所以说，曲线上任意一点均是达平衡状态的点，而曲线外的任一点均表示未达平衡状态。在曲线下方的任意一点，如c点，要想达到同温下的平衡状态（即由c点向上引垂直线到曲线的一点），必须使n(NO)增大，即平衡应向右移动，这时v(正)>v(逆)；同理，在曲线上方的任意一点，v(逆)>v(正)。
【题19】将等物质的量的A、B、C、D四种物质混合，发生如下反应aA＋bBcC(s)＋dD。当反应进行一定时间后，测得A减少了n mol，B减少了n/2 mol，C增加了３n/２mol，D增加了n mol，此时达到平衡。
（１） 该化学方程式中各物质的化学计量数为：
a＝ ，b＝ ，c＝ ，d＝ 。
（２）若只改变压强，反应速率发生变化，但平衡不发生移动，该反应中各物质的聚集状态。
A: B: C: D:
（３）若只升高温度，反应一段时间后，测知四种物质的物质的量又达到相等，则该反应为 反应（填“吸热”或“放热”）。
【解析】各物质的变化量之比等于方程式中对应的计量数之比，所以a：b：c：d＝n mol：n/2 mol：3n/2 mol：n mol＝２：１：３：２。一般情况下，各物质的计量数之比等于最简整数比，所以a＝2，b＝１，c＝3，d＝2。若只改变压强，而反应速率发生变化，则说明可逆反应中必有气体存在，但平衡不发生移动，说明反应的气体计量数之和等于生成气体计量数之和（反应物和生成物中各至少有一种气体），物质C为固体，则物质D必为气体。其计量数为2，则反应物中气体计量数之和为２，则物质A必定是气体物质，B必定为固体和液体。
升温一段时间后，四种物质的物质的量又达相等，则说明平衡向左移动，逆反应为吸热反应，正反应则是放热反应。
【题20】反应2SO2＋O22SO3进行的时间（t）和反应混合气中SO3的质量分数的关系如图所示。曲线P表示使用了催化剂，曲线Q表示未使用催化剂。由图可知，催化剂可以 ，但不能 。
【解析】由图中可以看出，使用了催化剂后平衡拐点向前移动（即由Q点到P点），说明到达平衡所用时间缩短了，反应速率加快了；图中P点与Q点中SO3的质量分数未变，说明使用催化剂不能改变达到平衡时SO3的质量分数。
【题21】将２mol H2O和2 mol CO置于1 L密闭容器中，加热至高温，发生如下可逆反应： ２H2O２H2＋O2， ２CO＋O22CO2
（１）当上述系统达到平衡时，欲求其混合气体的平衡组成，则至少还需要知道两种气体的平衡浓度，但这两种气体不能同时是 和 ， 或和 。（填它们的分子式）
（２）若平衡时O2和CO2的物质的量分别为n平(O2)＝a mol，n平(CO2)＝b mol，试求n平(H2O)＝ 。（用含a、b的代数式表示）
【解析】由两个方程式可知，两个可逆反应靠O2联系起来，只要知道了O2和另外任意一种气体的平衡浓度，均可求出混合气体的平衡组成。分析可知，当知道了H2O和H2或CO和CO2的平衡浓度时，由于两个方程无法通过O2建立反应量的关系，所以均不能够求出混合气体的平衡组成。因而不能同时是这两组。
高温
因n平(CO2)＝b mol，由２CO＋O22CO2可知，达平衡时反应掉的O2是b/2 mol，则反应２H2O２H2＋O2中生成的O2的量为（a＋b/2），消耗的水是2(a＋b/2)mol＝（2a＋b）mol，所以n平(H2O)＝2 mol－(2a＋b)mol＝（2－2a－b）mol。
【题22】在密闭容器中进行下列反应CO2(g)＋C(s) 2CO(g) ΔH>0，达到平衡后，改变下列条件，则指定物质的浓度及平衡如何变化：
（１）增加C，平衡 ，c(CO) 。
（２）减小密闭容器体积，保持温度不变，则平衡 ，c(CO2) 。
（３）通入N2，保持密闭容器体积和温度不变，则平衡 ，c(CO2) 。
（４）保持密闭容器体积不变，升高温度，则平衡 ，c(CO) 。
【解析】C为固体，增加C，其浓度并不改变，平衡不发生移动；减少容器体积，相当于增大压强，向气体体积减小的方向移动；通入N2不参加反应，并且密闭容器体积和温度不变时，各物质的浓度并不变，平衡不发生移动；其他条件相同，升高温度，平衡向吸热方向移动。
【题22】常温、常压下，A、B、C、D均为气态。A和B可发生可逆反应A＋BC＋nD。若2 mol A和2 mol B混合充入体积可变的密闭容器中，在不同条件下达平衡时C的浓度如下表：
温度／℃
压强／Pa
C平衡浓度／mol•L－１
２５
1105
1.0
２５
2105
1.8
２５
4105
3.2
２５
5105
6.0
(1)可逆反应中化学计量数n的取值范围是 ，理由是 。
(2)在1105Pa时，D的状态为 。
【解析】增加压强，平衡向逆反应方向移动，则气体分子数为1＋1<１＋n，则n>１。压强从1105 Pa变为2105 Pa时，C浓度应为2.0 mol•L－１，然而由于平衡移动，使C的浓度减小为1.8 mol•L－１，说明此时平衡向逆反应方向移动。压强从4105 Pa变到5105 Pa时，C的浓度应变为3.2 mol•L－１1.25＝4.0 mol•L－１，然而却变为6.0 mol•L－１，说明此时平衡向正反应方向移动，进一步推知此时D物质在加压条件下变为液态或固态。
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