《高三化学一轮复习 催化反应中转化率产率问题 课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高三化学一轮复习 催化反应中转化率产率问题 课件.pptx（19页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、以催化反应中转化率/产率问题为例真实情境中化学反应条件的控制长郡梅溪湖高三年郡梅溪湖高三年级备课组 工业上通常采用铁触媒、在400500 和 1030 MPa的条件下合成氨。试从化学反应条件控制的角度分析，如何提高合成氨反应的转化率？真真 实 情情 境境工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破知知 识 梳梳 理理催化催化剂不能改不能改变化学反化学反应焓变不能改不能改变化学平衡常数化学平衡常数不能影响化学平衡移不能影响化学平衡移动不能改不能改变平衡平衡转化率化率能改能改变化学反化学反应的的历程程能改能改变降低反降低反应活化能活化能能能缩短反短反应平衡的平衡的时间能改能改变原料的原料的转化率化率非平
2、衡状非平衡状态知知 识 梳梳 理理温度温度改改变化学反化学反应方向方向改改变化学反化学反应产物物影响化学反影响化学反应速率速率影响化学反影响化学反应平衡平衡改改变物物质的状的状态改改变气体的气体的压强影响物影响物质的溶解度的溶解度影响催化影响催化剂的活性的活性考考 点点 分分 析析 催化剂是化学工业的基石，90%以上的化工过程采用了催化剂。近几年高考化学反应原理试题经常以真实的工工业业生生产产为情境，图图表表信信息息为载体，通过催化反应中催催化化剂剂、温温度度等反应条件的控制，考查学生变化观念和平衡思想，证据推理与模型认知等核心素养。试题考查的内容主要有反应条件的最最优优化化选选择择，反应过程
3、中原料转化率，目标产物产率和目标反应的选择性变变化化的的原原因因。其中温温度度和催催化化剂剂同时对催化反应的影响是考查的热点和难点。解决此类问题，综合运用化化学学反反应应速速率率和平平衡衡移移动动原原理理等理论知识，根据催催化化反反应应的的特特点点，采用单单因因素素/多多因因素素分分析析方方法法对反应条件进行深入分析，探寻转化率、产率和选择性的变化规律。典典 例例 精精 析析【2018江江苏苏20-4】在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应(装置见题20图1)。反应相同时间NOx的去除率随反应温
4、度的变化曲线如题20图2所示，在50250 范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是_；当反应温度高于380 时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_。迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大去除反应速率增大催化剂活性下降；催化剂活性下降；NH3与与O2反应生成了反应生成了NO控制控制变量量模模 型型 建建 构构100%TT1T2T1之前：之前：温度影响为主T1T1：温度和
5、催化剂共同影响T2之后：之后：温度影响催化剂活性 可能发生副反应温度影响温度影响为主主催化催化剂影响影响为主主最佳反最佳反应条件条件非可逆反非可逆反应，反，反应物用量相同，反物用量相同，反应时间相同相同典典 例例 精精 析析【2019江苏15】在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是（）双选双选B DA.反应2NO(g)+O2(g)=2NO2(g)的H0B.图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率C.图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高N
6、O转化率D.380下，c起始(O2)=5.0104 molL1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K2000控制控制变量量模模 型型 建建 构构温度引起催化温度引起催化剂失活失活TT1速率控制区速率控制区平衡平衡转化率化率平衡控制区平衡控制区TT2速率控制区速率控制区平衡平衡转化率化率平衡控制区平衡控制区延延长反反应时间合适的催化合适的催化剂T1T3温度未引起催化温度未引起催化剂失活失活可逆反可逆反应，反，反应物用量相同，反物用量相同，反应时间相同相同 温度高于300，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是_。220 时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为
7、48%（图中A点）。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有_。典典 例例 精精 析析【2019江苏203】CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应：反应：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)H=41.2 kJmol1反应：2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)H=122.5 kJmol1 在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图。反反应应的的H0，反反应应的的H0，温温度度升升高高使使CO2转转化化为为CO的的平平衡衡转转化化率率上上升升
8、，使使CO2转化为转化为CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度增大压强，使用对反应增大压强，使用对反应催化活性更高的催化剂催化活性更高的催化剂反反应特点特点模模 型型 建建 构构选择性性催化催化剂反反应温度温度平平衡衡转化化率率其他副反其他副反应产率率体系体系压强非非平平衡衡转化化率率影影 响响影影响响产率率=转化率化率 选择性性可逆反可逆反应，反，反应物用量相同，反物用量相同，反应时间相同相同真真 题 演演 练【2017全国全国27】丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1丁烯(C
9、4H8)的热化学方程式如下：C4H10(g)=C4H8(g)H2(g)H1已知：C4H10(g)1/2 O2(g)=C4H8(g)H2O(g)H2119 kJmol1 H2(g)1/2 O2(g)=H2O(g)H3242 kJmol1反应的H1为_kJmol1。图(a)是反应平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x_0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是_(填标号)。A升高温度 B降低温度 C增大压强 D降低压强A D123小于小于真真 题 演演 练(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气
10、等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升 高 后 降 低 的 变 化 趋 势，其 降 低 的 原 因 是_。(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 之前随温度升高而增大的原因可能是_；590 之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是_。丁烯高温裂解生成短链烃类丁烯高温裂解生成短链烃类氢气是产物之一，随着氢气是产物之一，随着n(氢气氢气)/n(丁烷丁烷)增大，逆反应速率增大增大，逆反应速率增大升高温度有利于反应向吸热方向进行，温度升高反应速率加快升高温度有利于反应向吸热方向进行，温度升高反应速
11、率加快解解 题 策策 略略 化学反化学反应条件条件的控制的控制多：尽可能达到平衡多：尽可能达到平衡转化率化率快：快：缩短反短反应时间，效率高，效率高好：好：产物物选择性好，性好，纯度高度高省：省：绿色色经济，生，生产成本低成本低化学反化学反应速率理速率理论化学反化学反应平衡理平衡理论单因素分析（控制因素分析（控制变量）量）多因素分析（主次多因素分析（主次优先）先）化学反化学反应单一一/平行反平行反应可逆可逆/非非可逆反可逆反应吸吸热/放放热反反应化学反化学反应的的计量数量数反反应物的用量物的用量反反应的的时间反反应的温度的温度反反应的的压强反反应的催化的催化剂优化化分析分析实现方法方法目的目的
12、对象象条件条件【2016全国卷27】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：C3H6(g)NH3(g)3/2 O2(g)=C3H3N(g)3H2O(g)H515 kJmol1 C3H6(g)O2(g)=C3H4O(g)H2O(g)H353 kJmol1两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是_；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
13、_。真真 题 演演 练两个反应均为放热量大的反应两个反应均为放热量大的反应降低温度，降低压强降低温度，降低压强催化剂催化剂(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(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_。真真 题 演演 练1 7.
14、5 1该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低1A C该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低不是不是【2016全国卷27】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：C3H6(g)NH3(g)3/2 O2(g)=C3H3N(g)3H2O(g)H515 kJmol1 C
15、3H6(g)O2(g)=C3H4O(g)H2O(g)H353 kJmol1两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是_；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_。真真 题 演演 练两个反应均为放热量大的反应两个反应均为放热量大的反应降低温度，降低压强降低温度，降低压强催化剂催化剂【2016浙浙江江28】催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应，分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下：CO2(g)3H2(g)=CH3OH(g)H2O(g)H153.7 kJmol1CO2(g)
16、H2(g)=CO(g)H2O(g)H2 某实验室控制CO2和H2初始投料比为12.2，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验数据：真真 题 演演 练T(K)催化剂 CO2转化率(%)甲醇选择性(%)543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6【备注】Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；Cat.2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醛的百分比已知：CO和H2的标准燃烧热分别为283.0 kJmol1和285.8 kJmol；H2O(l)=H2O(g)H344.0 kJmol1请回答(不考虑温度对
17、H的影响)：(1)反应的平衡常数表达式K_；反应的H2_kJmol1。(2)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有_。A使用催化剂Cat.1B使用催化剂Cat.2C降低反应温度D投料比不变，增加反应物的浓度E增大CO2和H2的初始投料比真真 题 演演 练(3)表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是_。(4)在图中分别画出反应在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下“反应过程能量”示意图。表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响41.2C D