文档文本内容
第二章
第四节 化学反应的调控
课题： 2.4化学反应的调控 课时 1 授课年级 高二
课标 认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研 究中的重要作用。知道
要求 催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速 率具有重要意义。
普通高中教科书选则性必修1化学反应原理（人教版）第二章化学反应速率与化学平衡，
第4节化学反应的调控其内容是前三节 “化学反应的速率”、“化学反应的限度”、“化学反
应的方向”的延续，教材主要引导学生运用化学反应速率和化学平衡原理等知识，并考虑合成
氨生产中动力、设备、材料等的实际情况，合理地选择合成氨的生产条件。
本节教材体现了化学反应速率和平衡移动原理等理论对工业生产实践的指导作用，同时在
教材 运用理论的过程中，也可进一步加深学生对所学理论的理解。此外，还结合合成氨生产过程示
意图，简单提及浓度等条件对合成氨生产的影响，以及原料的循环使用等问题，以使学生理解
分析
合成氨条件的选择应以提高综合经济效益为目的。
教材以合成氨这个学生熟悉的、典型的化学反应为研究对象，有利于学生应用化学平衡理
论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学理论的学习对生产实
践的指导作用。
⒈了解化学反应的调控原理，掌握化学反应速率和化学平衡的基本概念和调控方法。
⒉理解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响，能够分析合成氨生产的主要
教学 流程。
目标 ⒊掌握工业生产条件选择的依据和原则，了解实际生产过程中调控化学反应的方法和手
段。
重点: 化学反应的调控重点在于理解化学反应速率和化学平衡的概念及其在合成氨反应中
教学 的应用。
重、 难点:根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速
率和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。
难点
变化观念和平衡思想：
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；
科学态度和社会责任感
核心
1．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调控在工业生产中的
素养 重要作用。通过对合成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能
力，培养理论联系实际的能力；
2．在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力；
3．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。
学情 学生对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。经过高中一年的训练，学生主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，具备一定的认识能力和知识水平。但是学
生的理论联系实际，指导工业生产，解决实际问题的能力还有待提升。所以在教学中注意引导
分析 学生分析、讨论，使他们的认知过程从理论的探讨上升到对实践的指导阶段。通过对合成氨适
宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力，培养理论联系实际的能
力，在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力。
教学过程
教学 设计
教学活动
环节 意图
【导入】【视频】播放中央电视台新闻联播 保障
粮食
【提问】国家为什么倡导光盘行动？
安全
【观看视频】获取信息 要做
到
【讨论】粮食的重要性，分析目前国际形势
“储
【展示】2015-2019年我国粮食进口数据。 粮于
地，
【提出】疫情期间全球许多国家禁止粮食出口。所以提高粮食产量，让中国人的粮产
储粮
环 在中国的土地上，才能保障我们的粮食安全。 于
节 技，
一 化 那么化学知识在提高粮食产量，保障粮食安全中能起到什么作用呢? ”引
、 学 【展示】解放初期1949—2019年我过粮食产量和化肥产量的相关数据 出合
事 成氨
情
故 【学生分析】分析图表数据，体会目前我国粮食安全锁面临的严峻形势 工业
景
情 的重
导 【介绍】1.合成氨工厂
境 要
入
2.合成氨氮气，氢气为原料合成氨的工业化生产是一个较难的课题。从第一次实验室 性。
研制到工业化投产约用了150年的时间。
3.德国化学家哈伯攻克难题使合成氨实现了工业化生产的可行性。实现了向空气要面 通过
化学
包，并因此获得了诺贝尔化学奖。虽然后来他合成的氨中大多制成了一次世界大战时
史中
德军的炸药但合成氨仍是历史上最伟大的成就之一 对哈
伯的
【学生分析】建国初期，我国仅有二三家合成氨工厂。化肥年产量不足0.6万吨。此
介绍
时粮食亩产68.6公斤。随着国家发展，技术进步，合成氨工厂兴建化肥产量的增加。 提出
知识
我们的粮食产量也获得了大幅度提升
的力
得出化学工业可以为提高粮食产量保障粮食安全作出贡献。 量，
引导
学生
【学习资料】在对资料学习中对化学史有简单认识 正确
的应
认识到合成氨反应的重要性
用知
识
【师】我们曾学过氮的相关知识，在自然界中可以实现氮的固定，那么在工业上怎样实 回归
现氮的固定呢? 教
材，
【学生】 N₂(g)+3H₂(g)=2NH₃(g)△H=−92.2kJ⋅mol⁻¹
抓纲
本，
【提问】观察方程式，总结一下该反应有何特点?
培养
【学生】反应为可逆反应； 正反应是气体体积减小的反应； △H<0 学生
活 的分
【师】合成氨反应为可逆反应，温度、压强、浓度等因素都会影响合成氨反应的进行。
动 析能
一 【PPT】展示表格 力，
、 调动化 影响因素 学生
对合成氨
学 学习
反 反应的影响 浓度 温度 压强 催化剂 的积
应 极
增大合成
速 性，
率 氨的反应速 主动
的 率 参与
引 教学
提高平衡
入 过
混合物中氨 程。
的
含量
【学生】讨论回答，完成表格
【师】由表格信息可知，升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂等，都可
以使合成氨的反应速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度等有利于提高平衡
混合物中氨的含量。那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢?
在分析过程中有的条件是一致的，二有的条件是相违背的。如何选择条件？
【教师】对比反应条件改变对增大合成氨的反应速率和提高平衡中氨的含量的影响、
促进
分析这些条件对速率和平衡这两个方面的影响哪些是一致的，哪些是相反的讨论应选
对知
择怎样的反应条件
识的
【学生】压强对设备的要求，材料的要求，动力的要求 理里
解与
【教师】得出结论，压强的选择是成本和效益的博弈
掌
分析得出合适的压强 握，
实现
【对应训练1】关于工业合成氨的叙述中错误的是（ ）
知识
的内
A.在动力、设备、材料允许的条件下尽可能在高压下进行
环 化过
节 B.温度越高越有利于工业合成氨 程。
二 知识
C.在工业合成氨中、的循环利用可提高其利用率，降低成本
、 问题
D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动 化，
氧
促进
化
【答案】B
知识
的理
学 解： A. 合成氨的正反应为气体 体积缩小的反应，压强越大， 反应物的转化率越
解与
高， 则在动力、设备、材料允许的条件下尽可能在高压下进行，故A正确;
反 应
B. 合成氨的正反应为放热反应， 升高温度后不利于氨气的生成， 故B错误； 用。
应
创设
C. 合成氨中I₂N₂和 H₂的循环使用，可以提高原料气的利用率， 降低成本， 故C
速 问题
正确；
情
率
D. 及时从反应体系中分离出氨气， 反应物浓度减小，有利于平衡向正反应方向移 境，
的 活 动， 故D正确； 促进
对科
动
计
故选: B。 学研
二
算 、 究的
深度
三
方
理
段
法 式 解。
的 【对应训练2】2007年度诺贝尔化学奖，授予致力于研究合成氨与催化剂表面积大小
讲 关系的德国科学家格哈德•埃特尔，表彰他在“固体表面化学过程”研究中作出的贡
解 献．下列说法中正确的是（ ）
A.工业生产中，合成氨采用压强越高，温度越低，越有利于提高经济效益B.增大催化剂的表面积，能加快合成氨的正反应速率、降低逆反应速率
C.采用催化剂时，反应的活化能降低，使反应易达过渡态，故明显加快
D.增大催化剂的表面积，能增大氨气的产率
【答案】 A
巩固
【分析】反应物浓度不会减小为0，故正反应速率不会减小为0。
与评
答案选A。
价，
发现
问
题，
调控
课
堂，
提高
效
率。
【过渡】请同学们总结合成氨反应的要点
【学生】根据合成氨反应的热化学方程式，正向反应气体体积减小，从平衡控制的角
度来看，合成氨时压强越大越好。但压强越大，对材料强度和设备制造的要求越高。
这将大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。目前，我国合成氨厂一般采用的
活压强为10_ MPa ～ 30 _MPa。
活 2．温度的选择
动 根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。但是温度降低会使化学
反应速率减小，达到平衡时间过长，这在工业生产中是很不经济的。因此，需要选择
三
一个合适的温度。目前，实际生产一般采用的温度是 400 ～ 500 _℃。
、
3．催化剂的选择
判
即使在高温、高压下，N 和H 的化合反应仍然进行得十分缓慢，通常需要加入催化
断 2 2
剂。目前，合成氨工业中普遍使用的是以 □ 铁 为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
化 铁触媒在500_℃左右时活性最大，这也是合成氨反应一般选择在 400 ～ 500 _℃进行的
重要原因。
学
4．浓度对合成氨生产的影响
反
应
(1)原料气必须净化，防止“催化剂中毒”。
速 (2)采取迅速冷却的方法及时分离出液态氨，促进平衡向 生成 NH 3 的方向移动。
率 (3)原料气体循环使用。
的 5．调控化学反应的原则
方 (1)综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素。
法 (2)结合设备条件、安全操作、经济成本等实际问题考虑。
(3)根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析、权衡利弊。1．（易）教材作业
2．合成氨反应达到平衡时，NH 的体积分数与温度、压强的关系如图所示，据此
3
分析合成氨工业中最有前途的研究方向是( )
A．提高分离技术
B．研制耐高压的合成塔
C．研制低温催化剂
D．探索不用N 和H 合成氨的新途径
2 2
及时
巩
【答案】C 固、
消化
【分析】解： A、现在分离氨气的技术已趋于成熟， 故A与题意不符；
所
B、生产设备不能承受那么大的压强， 产生压强所需的动力、能源又是限制压强 学，
的因素， 故B与题意不符; 促进
掌握
C、目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度约为
必备
知
400∼500°C,如能研制出低温催化剂， 将大大提高氨的产率， 且节约了能源，
识，
故C与题意相符；
环 评价
节 D、探索合成氨的新途径不一定会成功， 不一定会有前途， 故D与题意不符； 教学
四 效
、 故选C。 果，
课 3、在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是( ) 为后
后 作 期优
巩 业 A.都能提高反应速率，都对化学平衡无影响 化教
固 设 B.都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 学方
计 案提
C.都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 供依
据，
D.使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间，而施加高压无此效果
培养
分析
问题
【答案】C 和解
决问
【分析】对于反应
题等
N₂(g)+3H₂(g)⇒2NH₃(g), 关键
能
，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平
力。
衡发生移动.施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能
使化学平衡向生成.₃
NH₃的方向移动.故答案为C.
4.合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如图
所示。下列关于合成氨工业的说法中不正确的是
A. 将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B. 合成氨反应需在低温下进行
C. 对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D. 使用催化剂可以提高反应速率，但不能使平衡向正反应方向移动
【答案】B
【详解】答案: B。
解:A、混合气进行循环利用可以节约能源、提高原料的利用率，遵循绿色化学思
想，故A正确; B、降低温度，反应速率减慢，为保证速率较快，催化剂的活性高，产
物的产率又不低，则选择适宜的温度即可，不能在低温下进行，故B错误;
C、对原料气进行压缩，即增大压强，化学平衡正向移动，可以增大原料气的转
化率，故C正确; D、催化剂的特点:能改变反应物化学反应速率，而不改变化学平
衡，故使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动，故D正
确;故选B。
答案为B
二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”，由合成气制备二甲醚的主要原理如
下：
(CO(g)+2H₂(g)D[CH₃OH(g)△H₁=-90.7kJ⋅mol1
②2CH₃OH(g)]CCH₃OCH₃(g)+H₂O(g)△H₂=-23.5kJmo1-1
③CO(g)+H₂O(g)][CCO₂(g)+H₂(g)ΔH₃=-41.2kJ⋅mol⁻¹
回答下列问题：
(1)反应3H₂(g)+3CO(g)-CH₃OCH₃(g)+CO₂(g)的△H= kJmol⁻¹.下列措施中，能
提高CH₂OCH₃产率的有_ (填字母)。
A. 使用过量的 COB. 升高温度
C. 增大压强
(2)反应③能提高CH₃OCH₃的产率，原因是 。
n(H2)
(3)将合成气以 =2通入 1L的反应容器中，一定条件下发生反应：4H₂(g)
n(CO)
+2CO(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g) △H,则CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图所
示，下列说法正确的是 (填字母)。
A.△H<0
B.p <p<p₃
1 2
n(H2)
C. 若在p₃和316°C时，起始时 =3则达到平衡时， CO转化率小于
n(CO)
50%
【答案】答案: (1)-246.1 AC
(2)反应③消耗了反应②的H₂O(g),有利于反应②正向进行，同时生成了H₂(3)A
已知合成二甲醚的三步反应如下：
①CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g)△H₁=
−90.7kJ⋅mol⁻¹
②2CH₃OH(g)⇌CH₃OCH₃(g)
+H₂O(g)△H₂=−23.5kJ⋅mol⁻¹
③CO(g)+H₂O(g)⇒CO₂(g)
+H₂(g)△H₃=−41.2kJ⋅mol⁻¹
由盖斯定律可知，通过 ①×2+②+③可得所求反应方程式：
3H₂(g)+3CO(g)⇌CH₃OCH₃(g)+CO₂(g),则
△H=2△H₁+△H₂+△H₃=246.1KJ/mo，故答案为： −241.6; l2)A.增大
反应物的浓度平衡正移，所以使用过量的 C O ,能提高 CH₃OCH₃产率，故A正确
B.该反应为放热反应，升高温度平衡逆移，则 CH₃OCH₃产率会降低，故B错误；
C.该反应正方向为体积减小的方向，所以增大压强
平衡正移 ，能提高 CH₃OCH₃产率，故c正确；
故答案为:AC ;(3) 反应消耗了 H₂O(g))有利于反应②正向移动； 同
时此反应生成了. H₂,，有利于反应①正向移动，故反应③能提高( CH₃OCH₃
的产率，
故答案为：反应消耗了. H₂O(g)有利于反应②正向移动；同时此反应生成了.
H₂,有利于反应①正向移动;
(4)A.由图可知，压强一定时，随温度升高co的转化率减小，说明升高温度平衡
逆向移动，则正反应为放热反应，故 △H<0,故A正确；B.正反应为气体体积减小
的反应，增大压强平衡正向移动，co的转化率增大，所以 P₁>P₂>P₃,故B错误;故
答案为: A;
4．氢气是一种理想的绿色能源。利用生物质发酵得到的乙醇制取氢气，具有良
好的应用前景。乙醇水蒸气重整制氢的部分反应过程如下图所示：已知：反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数随温度变化曲线如图所示。
(1)①试说明反应Ⅰ能否发生自发反应 .
②反应Ⅰ、 Ⅱ达平衡后，若在恒温恒压条件下，向体系中充入 N₂，CO的体积
分数会 (填“上升”“不变”或“下降”)。
(2)反应Ⅱ,在进气比| [n(CO):n(H₂O)]不同时，测得相应的CO的平衡转化率见
下图1：
(各点对应的反应温度可能相同，也可能不同)
T T
①图1中 D、E两点对应的反应温度分别为 I₀和 7₁,判断： 0 1(填 “<”“=”
¯
或“>”)。
②经分析计算，A、E和G三点对应的反应温度相同，理由是 。
③在图2中，画出D点所对应温度下 CO 平衡转化率随进气比
[n(CO):n(H₂O)]的曲线。【答案】(1)①反应Ⅰ:
CH₃CH₂OH(g)+H₂O(g)=2CO(g)+4H₂(g),ΔS>0,根据化学平衡常数与温度
的关系可知 △H>0,高温下可自发 ②上升 (2)①< ②经计算, A、E、G 三点平衡常
数相同，故反应温度相同 ③趋势正确，且必须穿过 F、G之间
【解析】(1)②在恒温恒压条件下，向体系中充入1 N₂相当于增大了容器的体
积，有利于反应Ⅰ正向移动，反应Ⅱ平衡不移动，CO的体积分数会增大。
(2)61CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)△H<0, 反应为放热反应，升温平衡
逆向移动，CO转化率减小，图1中 D、E两点对应的反应温度分别为： T₀和 T₁,D
点CO转化率大于E 点CO 转化率, 说明 I₀<I₁0
②E点时: CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)
起始量 1 1 0 0
变化量 0.5 0.5 0.5 0.5
平衡量 0.5 0.5 0.5 0.5
E点平衡常数 k=1
A 点时: CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)
起始量 1 2 0 0
变化量 0.667 0.667 0.667 0.667
平衡量 0.333 1.333 0.667 0.667
A点平衡常数 K≈1
G点时: CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)
起始量 3 2 0 0
变化量 1.2 1.2 1.2 1.2
平衡量 1.8 0.8 1.2 1.2
1.2×12
G点平衡常数 k= =1
1.8×0.8
经计算，A、E、G三点平衡常数相同，故反应温度相同。
5．煤气化的一种方法是在气化炉中给煤炭加氢，发生的主要反应为：C(s)＋
2H(g)⇌CH(g)。在V L的容器中投入a mol碳(足量)，同时通入2a mol H，控制条
2 4 2
件使其发生上述反应，实验测得碳的平衡转化率随压力及温度的变化关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A．上述正反应为放热反应B．在4 MPa,1200 K时，图中X点v (H )＞v (H )
正 2 逆 2
C．在5 MPa,800 K时，该反应的平衡常数为
D．工业上维持6 MPa,1000 K而不采用10 MPa,1000 K，主要是因为前者碳的转
化率高
【答案】 B
解析 观察题图，温度越高，碳的平衡转化率越大，平衡正向移动，正反应为吸
热反应，A错误；X点处于未平衡时，反应正向进行，正反应速率大于逆反应速率，
B正确；在5 MPa，800 K时，碳的平衡转化率为50%。
C(s)＋2H(g)CH(g)
2 4
起始量(mol) a 2a
转化量(mol) 0．5a a 0．5a
平衡量(mol) 0．5a a 0．5a
K＝＝，C错误；选择该条件的原因是两者转化率相差不大，但压强增大对设备
要求高，能量需求大，D错误。
6. 工业上可在高纯度氨气下，通过球磨氢化锂的方式合成高纯度的储氢材料氨基
锂，该过程中发生反应：LiH(s)＋NH (g)⇌LiNH(s)＋H(g)。在NH 分压为0．3 MPa
3 2 2 3
下，LiNH 的相对纯度随球磨时间的变化情况如图所示。下列说法正确的是( )
2
A．增大压强可以提高原料的利用率
B．若平衡时混合气体中H 的物质的量分数为60%，则该反应的平衡常数K＝1．
2
5
C．工业生产中，在NH 分压为0．3 MPa下合成LiNH 的球磨时间越长越好
3 2
D．投入定量的反应物，平衡时混合气体的平均摩尔质量越大，LiNH 的相对纯
2
度越高
【答案】B
解析 该反应为反应前后气体分子数不变的反应，增大压强，化学平衡不发生移
动，不能提高原料的利用率，A错误；K＝＝＝1．5，B正确；工业生产中，在NH
3
分压为0．3 MPa下，球磨时间从0．5 h增大至1．5 h时，LiNH 的相对纯度提高较
2
明显，但球磨时间从1．5 h再增大至2．0 h时，LiNH 的相对纯度已经很高，且提高
2
不明显，故球磨时间不是越长越好，C错误；投入定量的反应物，平衡时混合气体的
平均摩尔质量越大，说明氨气的含量越高，反应正向进行的程度越小，LiNH 的相对
2纯度越低，D错误。
1.合成氨反应的特点。
2.合成氨反应的特点分析。
3.工业合成氨的条件选择。
4.工业生产选择适宜条件的选择。
课堂
总结
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 (10~30 MPa)
温度 适宜温度, 400~500℃左右
催化剂 使用铁触媒做催化剂
浓度 N₂和H₂的物质的量之比为1：2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
板书
设计
在这一节的教学中，通过对学生课堂表现的观察，以及课后谈话，同学们在课堂上的表现非常
令人满意，尤其在讨论环节，同学们带着问题进行讨论，过程中更加专注认真，讨论激烈，课
堂效果和效率都大大提高，也认识到了合作学习的重要性。并且在教学过程中，复习了化学反
应速率和平衡移动的知识，对化学反应的调控有深刻认识，知道工业生产中选择适宜条件时，
教学
既要考虑反应速率与平衡移动的影响外，还要考虑实际生产中的安全问题、操作问题、环境保
反思 护、经济效益等，同时同学们对化学学科核心素养掌握更加深刻，同时也体会到化学对人类社
会的重大作用，一举多得。
学生对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。经过高中年的训练，学
生主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，具备一定的认识能力和知识水平。但是
学生的理论联系实际;指导工业生产，解决实际问题的能力还有待提升。所以在教学中注意
引导学生分析、讨论，使他们的认知过程从理论的探讨上升到对实践的指导阶段。通过对合
成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力培养理论联系实际的
能力，在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解提高实际应用能力。
在这一节的教学中，通过对学生课堂表现的观察，以及课后谈话，同学们在课堂上的表现非常
令人满意，尤其在讨论环节，同学们带着问题进行讨论，过程中更加专注认真，讨论激烈，课
堂效果和效率都大大提高，也认识到了合作学习的重要性。并且在教学过程中，复习了化学反
应速率和平衡移动的知识，对化学反应的调控有深刻认识，知道工业生产中选择适宜条件时，既要考虑反应速率与平衡移动的影响外，还要考虑实际生产中的安全问题、操作问题、环境保
护、经济效益等，同时同学们对化学学科核心素养掌握更加深刻，同时也体会到化学对人类社
会的重大作用，一举多得。
