4 第3节 化学反应速率 工业合成氨.docx
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4第3节化学反应速率工业合成氨
第3节 化学反应速率 工业合成氨
化学反应速率
1.表示方法
用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
2.计算公式
v=
;常用单位:
mol·L-1·min-1,或写成mol/(L·min)形式。
3.与化学计量数的关系
对于反应mA(g)+nB(g)===pC(g)+qD(g),在同一时间段内化学反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q。
4.影响因素
(1)主要因素:
反应物本身的性质。
(2)外因(其他条件不变,只改变一个条件)
(3)理论解释——有效碰撞理论
①活化分子、活化能、有效碰撞
活化分子:
能够发生有效碰撞的分子。
活化能(如图):
图中E1为活化能,使用催化剂时的活化能为E3,反应热为E1-E2。
有效碰撞:
活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
②活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
(1)不能用固体和纯液体(因其浓度视为常数)表示化学反应速率,改变其用量,反应速率不变。
(2)计算反应速率时,一般用浓度的变化量(取绝对值)来表示,其值为平均反应速率。
(3)压强对反应速率的影响是通过改变反应物总体积进而使浓度改变来实现的,若改变压强后,各气体的浓度不变,则反应速率不变。
(4)温度改变对任何反应的反应速率都有影响。
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象就越明显。
( )
(2)(2018·高考江苏卷)在酶催化淀粉水解反应中,温度越高淀粉水解速率越快。
( )
(3)由v=
计算平均反应速率,用反应物表示为正值,用生成物表示为负值。
( )
(4)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。
( )
(5)根据反应速率的大小可以判断化学反应进行的快慢。
( )
(6)催化剂能降低反应所需的活化能,ΔH也会发生变化。
( )
(7)温度、催化剂能改变活化分子的百分数。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)× (7)√
2.(2021·莆田高三测试)A与B在容积为1L的密闭容器中发生反应:
aA(s)+bB(g)cC(g)+dD(g),t1、t2时刻分别测得部分数据如下表:
n(B)/mol
n(C)/mol
n(D)/mol
反应时间/min
0.12
0.06
0.10
t1
0.06
0.12
0.20
t2
下列说法正确的是( )
A.0~t1时间段内,平均反应速率v(B)=
mol·(L·min)-1
B.若起始时n(D)=0,则t2时v(D)=
mol·(L·min)-1
C.升高温度,v(B)、v(C)、v(D)均增大
D.b∶d=6∶1
解析:
选C。
不能确定B的起始物质的量,因此0~t1时间段内,不能确定B的变化量,则不能计算其反应速率,A错误;反应速率是平均反应速率,而不是瞬时反应速率,B错误;升高温度,反应速率v(B)、v(C)、v(D)均增大,C正确;t1~t2时间段内,B和D的物质的量变化量分别是0.06mol、0.10mol,所以b∶d=3∶5,D错误。
3.[2020·高考全国卷Ⅲ,28(4)]二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。
一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当________________。
答案:
选择合适催化剂等
4.对于反应A2+3B2===2AB3来说,下列反应速率中表示该反应进行得最快的是( )
A.v(A2)=0.6mol/(L·s)
B.v(B2)=2.7mol/(L·min)
C.v(AB3)=12mol/(L·min)
D.v(A2)=6mol/(L·min)
解析:
选A。
A项,可表示为v(A2)=36mol/(L·min);B项,经转化可表示为v(A2)=0.9mol/(L·min);C项,经转化可表示为v(A2)=6mol/(L·min),故A项符合要求。
有关反应速率计算的“三段式”解题模式
mA + nB pC
t0(s)时刻浓度/(mol·L-1)ab0
转化浓度/(mol·L-1)x
t1(s)时刻浓度/(mol·L-1)a-xb-
则v(A)=
mol/(L·s)、v(B)=
mol/(L·s)、v(C)=
mol/(L·s)。
演练一 化学反应速率的计算及大小比较
1.(2020·贵阳质检)将一定量的气体A、B置于容积为2L的密闭容器中,发生如下反应:
A(g)+4B(g)===2C(g),反应进行到4s末,测得A为0.5mol,B为0.4mol,C为0.2mol。
则用反应物B浓度的减少表示该反应的速率为( )
A.0.025mol·L-1·s-1
B.0.0125mol·L-1·s-1
C.0.05mol·L-1·s-1
D.0.1mol·L-1·s-1
解析:
选C。
4s末C为0.2mol,v(C)=
=0.025mol·L-1·s-1,根据速率之比等于化学计量数之比,有v(B)=2v(C)=0.025mol·L-1·s-1×2=0.05mol·L-1·s-1。
2.(2020·长沙模拟)反应A(g)+3B(g)===2C(g)+2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)=0.45mol/(L·s);②v(B)=0.6mol/(L·s);③v(C)=0.4mol/(L·s);④v(D)=0.45mol/(L·s)。
下列有关反应速率的比较中正确的是( )
A.④>③=②>①B.①>④>②=③
C.①>②>③>④D.④>③>②>①
解析:
选B。
可用比值法进行反应速率大小的比较。
=0.45mol/(L·s);
=0.2mol/(L·s);
=0.2mol/(L·s);
=0.225mol/(L·s),故①>④>②=③,B项正确。
化学反应速率快慢的比较方法
(1)归一法:
将同一反应中的用不同物质表示的反应速率转化成用同一种物质表示的反应速率,再进行速率的大小比较。
(2)比值法:
用各物质表示的反应速率除以对应各物质的化学计量数,然后再对求出的数值进行大小排序,数值大的反应速率快。
如反应mA+nB===pC+qD,若
>
,则用A表示的反应速率>用B表示的反应速率。
[注意] 比较反应速率快慢时,一定要注意单位是否统一。
演练二 用其他物理量的改变表示的化学反应速率
3.[2018·高考全国卷Ⅰ,28
(2)②]F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5(g)分解反应。
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。
体系的总压强p随时间t的变化如下表所示[t=∞时,N2O5(g)完全分解]:
t/min
0
40
80
160
260
1300
1700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1
研究表明,N2O5(g)分解的反应速率v=2×10-3×pN2O5(kPa·min-1)。
t=62min时,测得体系中pO2=2.9kPa,则此时的pN2O5=________kPa,v=________kPa·min-1。
解析:
t=62min时,体系中pO2=2.9kPa,根据“三段式”法得
2N2O5(g)===2N2O4(g)+O2(g)
起始/kPa35.800
转化/kPa5.85.82.9
62min/kPa30.05.82.9
则62min时pN2O5=30.0kPa,v=2×10-3×30.0kPa·min-1=6.0×10-2kPa·min-1。
答案:
30.0 6.0×10-2
4.在新型RuO2催化剂作用下,使HCl转化为Cl2的反应2HCl(g)+
O2(g)H2O(g)+Cl2(g)具有更好的催化活性。
一定条件下测得反应过程中n(Cl2)的数据如下:
t/min
0
2.0
4.0
6.0
8.0
n(Cl2)/(10-3mol)
0
1.8
3.7
5.4
7.2
计算2.0~6.0min内以HCl的物质的量变化表示的反应速率(以mol·min-1为单位,写出计算过程)。
解法一:
2.0~6.0min时间内,Δn(Cl2)=5.4×10-3mol-1.8×10-3mol=3.6×10-3mol,v(Cl2)=
=9.0×10-4mol·min-1,所以v(HCl)=2v(Cl2)=2×9.0×10-4mol·min-1=1.8×10-3mol·min-1。
解法二:
设HCl转化的物质的量为n,则
2HCl(g)+
O2(g)H2O(g)+Cl2(g)
21
n (5.4-1.8)×10-3mol
=
,解得n=7.2×10-3mol,所以v(HCl)=
=1.8×10-3mol·min-1。
演练三 探究影响化学反应速率的因素
5.(教材改编题)下列措施对增大反应速率明显有效的是( )
①Al在氧气中燃烧生成Al2O3,将Al片改成Al粉
②Fe与稀硫酸反应制取H2时,改用98%浓硫酸
③Zn与稀硫酸反应制取H2时,滴加几滴CuSO4溶液
④K2SO4与BaCl2两溶液反应时,增大压强
⑤2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH<0,升高温度
⑥Na与水反应时,增大水的用量
⑦2H2O2===2H2O+O2↑反应中,加入少量MnO2
⑧H2与Cl2混合后,光照
A.①②③④⑤B.①③④⑤⑥
C.①③⑤⑦⑧D.①③④⑦⑧
解析:
选C。
①将Al片改成Al粉,增大了固体反应物的接触面积,反应速率加快,正确;②铁遇浓H2SO4钝化,错误;③Zn置换出Cu,Zn与Cu、稀硫酸构成原电池,反应速率加快,正确;④没有气体参与的反应,压强不影响反应速率,错误;⑤升高温度,反应速率加快,正确;⑥增加固体与纯液体的用量,不会影响反应速率,错误;⑦催化剂能加快反应速率,正确;⑧H2与Cl2混合后光照发生爆炸,反应速率加快,正确。
6.在一定条件下,二氧化硫和氧气发生反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)。
(1)降低温度,化学反应速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)600℃时,在一容积为2L的密闭容器中,将二氧化硫和氧气混合,在反应进行至10min和20min时,分别改变了影响反应的一个条件,反应过程中SO2、O2、SO3物质的量变化如图所示,前10min正反应速率逐渐______(填“增大”“减小”或“不变”);前15min内用SO3表示的平均反应速率为____________________。
(3)图中反应进程,表示正反应速率与逆反应速率相等的时间段是____________________。
(4)根据如图判断,10min时改变的条件可能是________(填字母,下同);20min时改变的反应条件可能是________。
a.加入催化剂
b.缩小容器容积
c.降低温度
d.增加O2的物质量
答案:
(1)减小
(2)减小 1.33×10-3mol·L-1·min-1 (3)15~20min,25~30min (4)ab d
化学反应速率的图像及应用
1.全程速率-时间图像
例如:
Zn与足量盐酸的反应,化学反应速率随时间的变化出现如图所示情况。
原因:
(1)AB段(v增大),反应放热,溶液温度逐渐升高,v增大。
(2)BC段(v减小),溶液中c(H+)逐渐减小,v减小。
2.物质的量(或浓度)-时间图像
例如:
某温度时,在定容(VL)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
(1)由图像得出的信息
①X、Y是反应物,Z是产物。
②t3s时反应达到平衡状态,X、Y并没有全部反应,该反应是可逆反应。
③0~t3s时间段:
Δn(X)=n1-n3mol,Δn(Y)=n2-n3mol,Δn(Z)=n2mol。
(2)根据图像可进行如下计算
①某物质的平均速率、转化率,如
v(X)=
__mol·L-1·s-1;
Y的转化率=
×100%。
②确定化学方程式中的化学计量数之比,如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为(n1-n3)∶(n2-n3)∶n2。
3.外界条件对化学反应速率的影响图像
改变反应物浓度
增大反应物浓度
减小反应物浓度
改变气体反应体系的压强(对于正反应方向气体分子数增大的反应)
增大压强
减小压强
改变温度(对于正反应放热的反应)
升高温度
降低温度
加入催化剂
(1)条件增强,曲线在原图像的上方;条件减弱,曲线在原图像的下方。
(2)浓度改变时,图像曲线一条连续,一条不连续;其他条件改变,图像曲线不连续。
(3)对于反应前后气体的分子数相等的反应,改变压强时,v(正)、v(逆)同等倍数增大或减小,平衡不移动。
(4)改变条件以后:
v′(正)>v′(逆),平衡正向移动;v′(逆)>v′(正),平衡逆向移动;v′(正)=v′(逆),平衡不移动。
1.已知一定条件下合成氨反应:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1,在反应过程中,反应速率的变化如图所示,请根据速率的变化回答采取的措施。
t1____________________;t2____________________;
t3____________________;t4____________________。
答案:
增大c(N2)或c(H2) 加入催化剂 降低温度 增大压强
2.画出符合下列要求的v-t图像:
(1)A(s)+B(g)C(g) ΔH>0反应达到平衡后,t1时刻加压,t2时刻升温。
(2)A(g)+B(g)C(g) ΔH>0反应达到平衡后,t1时刻加压,t2时刻降温。
答案:
(1)
(2)
1.下列各图是温度(或压强)对反应:
2A(s)+2B(g)2C(g)+D(g)(正反应为吸热反应)的正、逆反应速率的影响,曲线交点表示建立平衡时的温度或压强,其中正确的是( )
解析:
选C。
无论是升高温度还是增大压强,v(正)、v(逆)均应增大。
B项中v(逆)减小,D项中v(正)和v(逆)均减小,故B、D项均错误;该反应的正反应是一个气体分子数增大的吸热反应,升高温度,平衡向正反应方向移动,则v(正)>v(逆),故A项错误;增大压强,平衡向逆反应方向移动,则v(逆)>v(正),故C项正确。
2.(2020·潮州高三调研)下列表格中的各种情况,可以用对应选项中的图像表示的是( )
选项
反应
甲
乙
A
外形、大小相同的金属和水反应
Na
K
B
4mL0.01mol·L-1KMnO4溶液分别和不同浓度的2mLH2C2O4(草酸)溶液反应
0.1mol·L-1的H2C2O4溶液
0.2mol·L-1的H2C2O4溶液
C
5mL0.1mol·L-1Na2S2O3溶液和5mL0.1mol·L-1H2SO4溶液反应
热水
冷水
D
5mL4%的过氧化氢溶液分解放出O2
无MnO2粉末
加MnO2粉末
解析:
选C。
由于K比Na活泼,故外形、大小相同的金属K和Na与水反应,K的反应速率更快,又由于Na、K与H2O反应均为放热反应,随着反应的进行,放出大量的热,反应速率逐渐加快,A项不正确;由于起始时乙中H2C2O4浓度大,故其反应速率比甲快,B项不正确;由于甲反应是在热水中进行的,温度高,故甲的反应速率大于乙,随着反应的进行,反应物浓度逐渐减小,故甲、乙反应速率逐渐减小,C项正确;MnO2在H2O2的分解过程中起催化作用,故乙的反应速率大于甲,D项不正确。
3.某温度下,在密闭容器中SO2、O2、SO3三种气态物质建立化学平衡后,改变条件对反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0的正、逆反应速率的影响如图所示:
(1)加催化剂对反应速率的影响的图像是________(填序号,下同),平衡________移动。
(2)升高温度对反应速率的影响的图像是________,平衡向________方向移动。
(3)增大反应容器体积对反应速率的影响的图像是________,平衡向________方向移动。
(4)增大O2的浓度对反应速率的影响的图像是________,平衡向________方向移动。
解析:
(1)加入催化剂,正、逆反应速率均增大,图像上两条曲线均应该出现“断点”且应在原平衡的反应速率之上;催化剂使正、逆反应速率增大的倍数相同,则改变条件后的速率线应该平行于横坐标轴,图像为C。
(2)升高温度,正、逆反应速率均增大,图像上两条曲线均应该出现“断点”且应在原平衡的反应速率之上。
因题给反应的正反应放热,升温平衡逆向移动,所以v′正 (3)增大反应容器体积即减小压强,正、逆反应速率均减小,图像上两条曲线均应该出现“断点”且应在原平衡的反应速率之下。 因减小压强平衡逆向移动,所以v′正 (4)增大O2的浓度,正反应速率会“突然”增大,图像上正反应速率曲线出现“断点”且应在原平衡的反应速率之上,但逆反应速率应该在原平衡的基础上逐渐增大,图像为B。 答案: (1)C 不 (2)A 逆反应 (3)D 逆反应 (4)B 正反应 工业合成氨 1.反应特点 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,ΔS<0 2.适宜条件的选择 (1)降低温度,有利于合成氨反应正向进行,但温度越低,反应速率减慢,且催化剂的活性有一个适宜的温度。 工业合成氨选用温度以700__K左右为宜; (2)增大压强,有利于合成氨反应正向进行,但压强越大,对设备的要求越高,成本越大。 工业合成氨的压强大致可分为低压(1×107Pa)、中压(2×107~3×107Pa)和高压(8.5×107~1×108Pa)三种类型; (3)使用催化剂,能大幅度提高反应速率,工业合成氨用铁做催化剂; (4)按N2与H2的物质的量之比为1∶2.8投料并及时分离出NH3。 化学反应条件选择的三原则 (1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性,又要注意对二者影响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性对温度的要求。 (3)既要注意理论上的需要,同时要考虑化工生产中的动力、材料和设备的要求。 1.在450℃时,N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,体系中只改变下列条件,请把影响结果填入表中。 改变条件 正反应 速率 逆反应 速率 平衡 移动 N2的 转化率 增大N2的浓度 压缩体积(增大压强) 升高温度 加入催化剂 体积不变充入氖气 答案: 增大 增大 正向移动 减小 增大 增大 正向移动 增大 增大 增大 逆向移动 减小 增大 增大 不移动 不变 不变 不变 不移动 不变 2.合成氨工业中,有利于加快合成氨速率的措施有_____________________________________________________________________,有利于平衡正向移动的措施有________________________________________ ______________________________________________________________。 答案: 升温、加压、增大c(反应物)、使用催化剂 降温、加压、增大c(N2)或c(H2)、减小c(NH3) 3.(2021·江苏新高考适应性考试)氨是一种重要的化工原料,主要用于化肥工业,也广泛用于硝酸、纯碱、制药等工业;合成氨反应为N2(g)+3H2(g)===2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1。 实验室用加热NH4Cl和Ca(OH)2固体混合物的方法制取少量氨气。 下列有关合成氨反应的说法正确的是( ) A.反应的ΔS>0 B.反应的ΔH=E(N—N)+3E(H—H)-6E(N—H)(E表示键能) C.反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2×6.02×1023 D.反应在高温、高压和催化剂条件下进行可提高H2的平衡转化率 解析: 选C。 A.在合成氨反应中,生成物气体分子数小于反应物气体分子数,所以反应的ΔS<0,A不正确;B.反应的ΔH=反应物的键能总和-生成物的键能总和=E(N≡N)+3E(H—H)-6E(N—H)(E表示键能),B不正确;C.由合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),可建立如下关系式: N2~3H2~6e-,则反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2mol×6.02×1023mol-1=2×6.02×1023,C正确;D.合成氨反应为放热的可逆反应,高温可加快反应速率,但会使平衡逆向移动,不能提高H2的平衡转化率,使用催化剂只能改变反应速率,但不能改变H2的平衡转化率,D不正确。 1.下列关于N2+3H22NH3 ΔH<0反应速率与时间的关系图中,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t,当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系中不符合实际的是( ) 解析: 选A。 合成氨反应的化学方程式的特点是体积缩小、放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨的方向移动。 达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A图像错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B图像正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C图像正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增加,所以正反应速率瞬间增大然后逐渐减小,逆反应速率在原来基础上逐渐增大,所以D图像正确。 2.合成氨反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.2kJ·mol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图所示。 下列说法正确的是( ) A.t1时升高了温度 B.t2时使用了催化剂 C.t3时增大了压强D.t4时降低了温度 解析: 选B。 若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,C错;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错。 3.在容积相同的密闭容器内,分别充入等量的N2和H2,在不同温度下,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并分别在t秒时测定其中NH3的体积分数,如图所示。 (1)A、B、C、D、E五点中,尚未达到化学平衡状态的点是________。 (2)此可逆反应的正反应是________反应(填“放热”或“吸热”)。 (3)AC段曲线是增函数,CE
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- 第3节 化学反应速率 工业合成氨 化学反应 速率 工业 合成氨