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第4節　化學反應條件的優化——工業合成氨
[核心素養發展目標]　1.知道如何應用化學反應速率和化學平衡分析合成氨的適宜條件，學會通過運用變量控制反應方向，體會應用化學原理分析化工生產條件的思路和方法。2.認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要應用，探索最適宜的化工生產條件，形成可持續發展意識。
一、合成氨反應的限度與速率
1．合成氨反應的特點
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
2．提高合成氨反應速率和平衡轉化率的條件比較
條件 提高反應速率 提高平衡轉化率 綜合結果
壓強
溫度 兼顧速率和平衡，且考慮催化劑活性
催化劑
濃度 反應物氮氣或氫氣的濃度 某一反應物的濃度， 反應產物的濃度 增大反應物的濃度，且不斷減小反應產物的濃度
從化學平衡的角度分析，在一定的溫度、壓強下，反應物N2和H2的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的含量最高。
(1)工業合成氨的反應是ΔH<0、ΔS<0的反應，在任何溫度下都可自發進行(　　)
(2)在合成氨的實際生產中，溫度越低、壓強越大越好(　　)
(3)在合成氨中，加入催化劑能提高原料的轉化率(　　)
(4)催化劑在合成氨中質量沒有改變，因此催化劑沒有參與反應(　　)
(5)增大反應物的濃度，減少反應產物的濃度，可以提高氨的產率(　　)
(6)合成氨中在提高速率和原料的轉化率上對溫度的要求是一致的(　　)
1．實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質濃度的關系式為v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，請你根據該關系式分析，各物質的濃度對反應速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2．可逆反應：3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g)　ΔH＜0，達到平衡后，為了使H2的轉化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是(　　)
A．升高溫度，減小壓強，增加氮氣
B．降低溫度，增大壓強，加入催化劑
C．升高溫度，增大壓強，增加氮氣
D．降低溫度，增大壓強，分離出部分氨
二、合成氨生產的適宜條件
1．工業生產中，必須從 和 兩個角度選擇合成氨的適宜條件。
(1)盡量增大反應物的 ，充分利用原料。
(2)選擇較快的 ，提高單位時間內的產量。
(3)考慮設備的要求和技術條件等。
2．合成氨反應的適宜條件
(1)壓強
目前我國的合成氨廠一般采用的壓強為10～30 MPa。
合成氨時不采用更高壓強的理由：__________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)溫度
實際生產中一般采用的溫度為400～500 ℃。
不采用低溫的理由：______________________________________________________
________________________________________________________________________
(3)催化劑
①目前，合成氨工業中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。
②我們知道催化劑對平衡轉化率無影響，在合成氨工業中還要使用催化劑的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③什么是催化劑中毒？工業上如何防止催化劑中毒？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(4)濃度
及時將氨氣從反應混合物中分離出去， 將未反應的N2和H2循環使用并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度。
(5)投料比
①大量實驗證明，在一定的溫度、壓強下，合成氨反應中當n(N2)∶n(H2)＝1∶3時，氨的平衡體積分數最大。
②研究表明，氮氣和氫氣通過吸附在催化劑表面發生一系列反應生成氨，N2的吸附分解反應活化能高，速率慢，是合成氨反應的決速步，實際生產中，N2和H2的物質的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析說明原料中N2適度過量的2個理由：__________________________、
__________________________。
(6)其他：兼顧環境保護和社會效益。
3．合成氨的生產流程
1．(2024·山東德州高二檢測)下列有關合成氨條件選擇的說法正確的是(　　)
A．適當增加氫氣的濃度可提高氮氣的平衡轉化率
B．溫度越高，速率越快，生產效益越好
C．使用鐵觸媒能提高合成氨反應的平衡轉化率
D．將氨及時液化分離不利于提高氨的產率
2．(2024·揚州大學附屬中學高二質檢)合成氨反應：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)與H2(g)反應生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的熱量。該反應通常需要在高溫(400～500 ℃)、高壓(10～30 MPa)條件下進行，反應過程通常采用鐵觸媒作為催化劑。下列說法不正確的是(　　)
A．合成氨反應中采用400～500 ℃高溫主要是因為此時催化劑的活性最大
B．合成氨反應中采用高壓的目的主要是促進平衡向右移動
C．合成氨反應中采用鐵觸媒作為催化劑可以加快反應速度
D．合成氨反應中將0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密閉容器中充分反應其放出的熱量為46 kJ
3．在硫酸工業中，通過下列反應使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化劑是V2O5，在400～500 ℃時催化效果最好)下表列出了在不同溫度和壓強下，反應達到平衡時SO2的轉化率。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉化為三氧化硫，應選擇的條件是________________________________________________________________________。
(2)在實際生產中，選定的溫度為400～500 ℃，原因是_________________________
________________________________________________________________________。
(3)在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是________________________________
________________________________________________________________________。
(4)在實際生產中，通入過量的空氣，原因是__________________________________
________________________________________________________________________。
(5)尾氣中SO2必須回收，原因是____________________________________________
________________________________________________________________________。
4．如圖為500 ℃、60.0 MPa條件下，平衡時NH3的體積分數與原料氣投料比的關系。
(1)若投料比為4時，NH3的體積分數可能為圖中的________點。
(2)若投料比為3時，NH3的最大體積分數為42%，計算H2的平衡體積分數：__________(寫出計算過程)。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
第4課時　化學反應速率與化學平衡移動重點題型突破
一、
1．增大　
2．(1)正向　不變　增大　減小　(2)①正向　降低　升高　②相同　③不變　增大　減小
思考交流
1．正向　增大　減小　
2．向右　增大　變深
3．甲>乙＝丙>丁
二、
類型一
(1)增大反應物的濃度　正向　(2)降低溫度　正向
(3)增大壓強　正向　(4)使用催化劑　不
應用體驗
1．A　2.C
類型二
(1)>　放熱　逆向　(2)>　增大　增大　(3)>　催化劑　增大
應用體驗
3．B
類型三
(1)①減小　逆向　<　②增大　正向　吸熱　(2)①減小　逆向　<　②增大　正向　>
應用體驗
4．C
5．(1)<　該反應的正反應為氣體分子數增大的反應，其他條件相同時，減小壓強，平衡正向移動，CO2的平衡轉化率增大
(2)>(共76張PPT)
第4節
化學反應條件的優化
——工業合成氨
第2章
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核心素養
發展目標
1.知道如何應用化學反應速率和化學平衡分析合成氨的適宜條件，學會通過運用變量控制反應方向，體會應用化學原理分析化工生產條件的思路和方法。
2.認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要應用，探索最適宜的化工生產條件，形成可持續發展意識。
內容索引
一、合成氨反應的限度與速率
二、合成氨生產的適宜條件
課時對點練
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一
合成氨反應的限度與速率
1.合成氨反應的特點
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
一
合成氨反應的限度與速率
可逆
減小
＜
＜
＜
能
2.提高合成氨反應速率和平衡轉化率的條件比較
條件 提高反應速率 提高平衡轉化率 綜合結果
壓強 _____ _____ _____
溫度 _____ _____ 兼顧速率和平衡，且考慮催化劑活性
催化劑 _____ _______ _____
高壓
高壓
高壓
高溫
低溫
使用
無影響
使用
條件 提高反應速率 提高平衡轉化率 綜合結果
濃度 反應物氮氣或氫氣的濃度 某一反應物的濃度， 反應產物的濃度 增大反應物的濃度，且不斷減小反應產物的濃度
從化學平衡的角度分析，在一定的溫度、壓強下，反應物N2和H2的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的含量最高。
增大
增大
降低
(1)工業合成氨的反應是ΔH<0、ΔS<0的反應，在任何溫度下都可自發進行
(2)在合成氨的實際生產中，溫度越低、壓強越大越好
(3)在合成氨中，加入催化劑能提高原料的轉化率
(4)催化劑在合成氨中質量沒有改變，因此催化劑沒有參與反應
(5)增大反應物的濃度，減少反應產物的濃度，可以提高氨的產率
(6)合成氨中在提高速率和原料的轉化率上對溫度的要求是一致的
×
√
×
×
×
×
1.實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質濃度的關系式為v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，請你根據該關系式分析，各物質的濃度對反應速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應速率？
提示　由合成氨反應的化學反應速率公式可知，在一定溫度、壓強下，化學反應速率與反應物濃度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比關系，與反應產物濃度[c(NH3)]成反比關系。由此在一定溫度、壓強下，可采取增大反應物濃度、減小反應產物濃度的措施來提高化學反應速率。另外還可采取升高溫度、使用合適的催化劑等措施來加快反應速率。
2.可逆反應：3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g)　ΔH＜0，達到平衡后，為了使H2的轉化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是
A.升高溫度，減小壓強，增加氮氣
B.降低溫度，增大壓強，加入催化劑
C.升高溫度，增大壓強，增加氮氣
D.降低溫度，增大壓強，分離出部分氨
√
合成氨是放熱反應，從理論上分析應采用盡可能低的溫度，選項A、C中升高溫度是錯誤的；
合成氨是一個氣體體積減小的反應，所以增大壓強會使平衡向正反應方向移動；增加反應物(N2)濃度或減小反應產物(NH3)濃度，會使平衡向正反應方向移動，D正確；
加入催化劑可提高反應速率，但對平衡移動無影響，B錯誤。
返回
合成氨生產的適宜條件
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二
二
合成氨生產的適宜條件
1.工業生產中，必須從 和 兩個角度選擇合成氨的適宜條件。
(1)盡量增大反應物的 ，充分利用原料。
(2)選擇較快的 ，提高單位時間內的產量。
(3)考慮設備的要求和技術條件等。
反應速率
反應限度
轉化率
化學反應速率
2.合成氨反應的適宜條件
(1)壓強
目前我國的合成氨廠一般采用的壓強為10～30 MPa。
合成氨時不采用更高壓強的理由：________________________________
___________________________________________________________________________________。
壓強越大，對材料的強度和設備的
制造要求就越高，需要的動力也越大，這將會大大增加生產投資，并可能降低綜合經濟效益
(2)溫度
實際生產中一般采用的溫度為400～500 ℃。
不采用低溫的理由：___________________________________________
________________________________________________________________________
溫度降低會使化學反應速率減小，達到平衡所需
時間變長，這在工業生產中是很不經濟的，且鐵觸媒在500 ℃左右時的活性最大
(3)催化劑
①目前，合成氨工業中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。
②我們知道催化劑對平衡轉化率無影響，在合成氨工業中還要使用催化劑的原因是_____________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________。
即使在高溫、高壓下，N2和H2的化合反應仍然進行得十分緩慢。加入催化劑，改變反應歷程，降低反應的活化能，使反應物在較低溫度時能較快地發生反應。提高單位時間的生產效率，可提高經濟效益
③什么是催化劑中毒？工業上如何防止催化劑中毒？
答案　因吸附或沉積毒物而使催化劑活性降低或喪失的過程稱為催化劑中毒。原料氣必須經過凈化。
(4)濃度
及時將氨氣從反應混合物中分離出去， 將未反應的N2和H2循環使用并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度。
(5)投料比
①大量實驗證明，在一定的溫度、壓強下，合成氨反應中當n(N2)∶n(H2)＝1∶3時，氨的平衡體積分數最大。
②研究表明，氮氣和氫氣通過吸附在催化劑表面發生一系列反應生成氨，N2的吸附分解反應活化能高，速率慢，是合成氨反應的決速步，實際生產中，N2和H2的物質的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析說明原料中N2適度過量的2個理由：__________________________________________、
_____________________________________。
(6)其他：兼顧環境保護和社會效益。
N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉化率
適當提高N2比例，加快合成氨的反應速率
3.合成氨的生產流程
1.(2024·山東德州高二檢測)下列有關合成氨條件選擇的說法正確的是
A.適當增加氫氣的濃度可提高氮氣的平衡轉化率
B.溫度越高，速率越快，生產效益越好
C.使用鐵觸媒能提高合成氨反應的平衡轉化率
D.將氨及時液化分離不利于提高氨的產率
√
適當增加氫氣的濃度，促使反應正向進行，可提高氮氣的平衡轉化率，A正確；
合成氨是有氣體參與的放熱反應，溫度升高，反應速率加快，但合成氨的轉化率降低，B錯誤；
鐵觸媒是催化劑，不能改變反應物的平衡轉化率，C錯誤；
將氨及時液化分離，使得平衡正向移動，有利于提高氨的產率，D錯誤。
2.(2024·揚州大學附屬中學高二質檢)合成氨反應：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，N2(g)與H2(g)反應生成1 mol NH3(g)放出46 kJ的熱量。該反應通常需要在高溫(400～500 ℃)、高壓(10～30 MPa)條件下進行，反應過程通常采用鐵觸媒作為催化劑。下列說法不正確的是
A.合成氨反應中采用400～500 ℃高溫主要是因為此時催化劑的活性最大
B.合成氨反應中采用高壓的目的主要是促進平衡向右移動
C.合成氨反應中采用鐵觸媒作為催化劑可以加快反應速度
D.合成氨反應中將0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)置于密閉容器中充分反應其放出
的熱量為46 kJ
√
合成氨正反應為氣體體積減小的反應，增大壓強化學平衡正向移動，故采用高壓的條件，B正確；
合成氨的反應為可逆反應，0.5 mol氮氣和1.5 mol氫氣無法全部轉化為1 mol氨氣，放出的熱量小于46 kJ，D錯誤。
3.在硫酸工業中，通過下列反應使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。(已知：催化劑是V2O5，在400～500 ℃時催化效果最好)下表列出了在不同溫度和壓強下，反應達到平衡時SO2的轉化率。
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(1)從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉化為三氧化硫，應選擇的條件是________________。
450 ℃、10 MPa
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(2)在實際生產中，選定的溫度為400～500 ℃，原因是______________
_______________________________________________________________________________________________。
在此溫度下，
催化劑活性最高。溫度較低，會使反應速率減小，達到平衡所需時間變長；溫度較高，SO2的轉化率會降低
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(3)在實際生產中，采用的壓強為常壓，原因是_____________________
__________________________________________________________________________________________________________。
在常壓下SO2的轉化率就已經很高了(97.5%)，若采用高壓，平衡向右移動，但效果并不明顯，
且采用高壓時會增大對設備的要求而增大生產成本
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(4)在實際生產中，通入過量的空氣，原因是_______________________
______________________。
增大反應物O2的濃度，
有利于提高SO2的轉化率
溫度/℃ 平衡時SO2的轉化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
(5)尾氣中SO2必須回收，原因是__________________________________
__________________。
防止污染環境；循環利用，提高原料
的利用率(合理即可)
4.如圖為500 ℃、60.0 MPa條件下，平衡時NH3的體積分數與原料氣投料比的關系。
(1)若投料比為4時，NH3的體積分數可能為圖中的____點。
P
(2)若投料比為3時，NH3的最大體積分數為42%，計算H2的平衡體積分數：__________________
________________________________________________________________________________
__________________________(寫出計算過程)。
NH3的最大體積分數即為平衡體積分數，NH3體積分數為42%，H2、N2的體積分數之和為58%，則H2的平衡
體積分數： ×3＝43.5%
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課時對點練
對點訓練
題組一　工業合成氨條件的理論分析
1.工業合成氨反應中，使用催化劑和施以高壓，下列敘述正確的是
A.都能提高反應速率，都對化學平衡狀態無影響
B.都對平衡狀態有影響，都不影響達到平衡狀態所用的時間
C.都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有加壓對化學平衡狀態有影響
D.催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而加壓無此作用
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
合成氨的正反應為氣體體積減小的反應，增大壓強平衡正向移動，也能加快反應速率，縮短達到平衡狀態所用的時間；加入催化劑，能加快反應速率，縮短達到平衡狀態所用的時間，對化學平衡狀態沒有影響，故選C。
對點訓練
1
2
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對點訓練
2.下列有關合成氨工業的說法正確的是
A.N2的量越多，H2的轉化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的
合成
B.恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成
C.工業合成氨的反應是熵增加的放熱反應，在任何溫度下都可自發進行
D.工業合成氨的反應是熵減小的放熱反應，在常溫時可自發進行
√
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2
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1
2
3
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14
對點訓練
A項，在合成氨工業中應選擇一個合適的投料比[n(N2)∶n(H2)]，并不是充入的N2越多越有利于NH3的合成；
B項，恒容條件下，充入稀有氣體對平衡無影響；
C、D項，ΔH－TΔS<0時反應自發進行，而合成氨反應的ΔH<0、ΔS<0，故在常溫條件下該反應能自發進行。
對點訓練
3.N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，向容器中通入1 mol N2和3 mol H2，當反應達到平衡時，下列措施能提高N2轉化率的是
①降低溫度
②維持溫度、容積不變，按照物質的量之比為1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物質的量
④維持恒壓條件，通入一定量惰性氣體
A.①④　　　B.①②　　　C.②③　　　D.③④
√
1
2
3
4
5
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對點訓練
①合成氨反應的正反應為放熱反應，降低溫度，平衡正向移動，氮氣的平衡轉化率增大；
②維持溫度、容積不變，按照物質的量之比為1∶3再通入一定量的N2和H2，壓強增大，平衡正向移動，氮氣的平衡轉化率增大；
③增加NH3的物質的量，平衡逆向移動，氮氣的平衡轉化率降低；
④維持恒壓條件，通入一定量惰性氣體，相當于體積擴大，平衡逆向移動，氮氣的平衡轉化率降低。
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題組二　工業合成氨的適宜條件
4.下列所示是哈伯法制氨的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是
對點訓練
A.①②③　　B.②④⑤　　C.①③⑤ 　　D.②③④
√
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對點訓練
5.(2023·濟南高二質檢)合成氨問題，關乎到世界化工發展和糧食安全問題。下列對合成氨工業的敘述不正確的是
A.高壓條件比常壓條件更有利于合成氨的反應
B.合成氨時采用循環操作，可以提高原料利用率
C.工業生產采用500 ℃而不采用常溫，是為了提高合成氨的轉化率
D.鐵觸媒的使用有利于提高合成氨單位時間內的生產效率
√
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對點訓練
合成氨的反應為氣體分子數減小的反應，增大壓強有利于反應正向進行，A正確；
合成氨的反應為可逆反應，原料不能完全反應，采用循環操作，可以提高原料利用率，B正確；
合成氨的反應為放熱反應，升溫會使平衡逆向移動，工業生產采用500 ℃而不采用常溫，是為了提高反應速率，C錯誤；
鐵觸媒為催化劑，可以大大提高反應速率，有利于提高合成氨單位時間內的生產效率，D正確。
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對點訓練
6.諾貝爾化學獎曾授予致力于研究合成氨與催化劑表面積大小關系的德國科學家格哈德·埃特爾，表彰他在固體表面化學的研究中作出的貢獻。下列說法正確的是
A.增大催化劑的表面積，能增大氨氣的產率
B.增大催化劑的表面積，能加快合成氨的正反應速率、降低逆反應速率
C.采用正向催化劑時，反應的活化能降低，使反應明顯加快
D.工業生產中，合成氨采用的壓強越高，溫度越低，越有利于提高經濟
　效益
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√
對點訓練
增大催化劑的表面積只能改變反應速率，不能使平衡移動，所以氨氣的產率不變，A項錯誤；
增大催化劑的表面積，能加快合成氨的正反應速率和逆反應速率，B項錯誤；
催化劑可以降低反應的活化能，使活化分子的百分數增大，有效碰撞次數增加，從而加快反應速率，C項正確；
壓強過高，對設備的要求高，溫度越低，催化劑的活性越低，反應速率越慢，不利于提高經濟效益，D項錯誤。
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對點訓練
題組三　化學反應的調控
7.下列關于化學反應的調控措施說法不正確的是
A.硫酸工業中，為提高SO2的轉化率，通入過量的空氣
B.工業上增加煉鐵高爐的高度可以有效降低尾氣中CO的含量
C.合成氨工業中，從生產實際條件考慮，不盲目增大反應壓強
D.合成氨工業中，為提高氮氣和氫氣的利用率，采用循環操作
√
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對點訓練
反應2SO2＋O2 2SO3，通入過量的空氣，平衡正向移動，SO2
的轉化率提高，A項不合題意；
高爐煉鐵過程中發生反應：Fe2O3(s)＋3CO(g) 2Fe(s)＋3CO2(g)，達到平衡后，增加高爐的高度不能降低煉鐵尾氣中CO的含量，B項符合題意；
若壓強過大，不僅會增大能源消耗，還會增大動力消耗，對設備的要求也高，C項不合題意；
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工業合成氨是可逆反應，原料不能完全轉化為產物，采用氮氣和氫氣循環操作的主要目的是提高氮氣和氫氣的利用率，D項不合題意。
對點訓練
8.已知工業上常用石灰乳吸收尾氣中的NO和NO2，涉及的反應為NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾氣中NO和NO2去除率的是
A.加快通入尾氣的速率 B.用石灰水替代石灰乳
C.適當補充O2 D.升高溫度
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通入尾氣的速率加快，可能導致氣體吸收不充分，尾氣中NO和NO2去除率降低，A不符合題意；
用石灰水替代石灰乳，溶液中溶質的濃度減小，吸收效果變差，尾氣中NO和NO2去除率降低，B不符合題意；
適當補充O2，可將尾氣中過量的NO氧化為NO2進而被吸收，從而提高尾氣中NO和NO2去除率，C符合題意；
升高溫度，氣體的溶解度降低，從而降低尾氣中NO和NO2去除率，D不符合題意。
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9.納米鈷常用于CO加氫反應的催化劑：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列說法正確的是
A.納米技術的應用，優化了催化劑的性能，提高了反應物的轉化率
B.縮小容器體積，平衡向正反應方向移動，CO的濃度增大
C.從平衡體系中分離出H2O(g)能加快正反應速率
D.工業生產中采用高溫條件下進行，其目的是提高CO的平衡轉化率
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催化劑的優化不影響平衡的移動，不能提高反應物的轉化率，A項錯誤；
縮小容器體積即增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向即正向移動，體系中各組分濃度均增大，B項正確；
減小H2O(g)的濃度時正反應速率瞬間不變，v逆減小，平衡正向移動，C項錯誤；
升高溫度，平衡逆向移動，CO的平衡轉化率降低，D項錯誤。
10.CH4-CO2催化重整可以得到合成氣(CO和H2)，有利于緩解溫室效應，其主要反應為CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247 kJ·mol－1，同時存在以下反應：CH4(g) C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ·mol－1(積碳反應)，CO2(g)＋C(s) 2CO(g)　ΔH＝＋172 kJ·mol－1(消碳反應)，假設
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體系溫度恒定。積碳反應會影響催化劑的活性，一定時間內積碳量和反應溫度的關系如圖所示。下列說法正確的是
A.高壓有利于提高CH4的平衡轉化率并減少積碳
B.增大CO2與CH4的物質的量之比有助于減少積碳
C.升高溫度，積碳反應的化學平衡常數K1減小，
消碳反應的化學平衡常數K2增大
D.溫度高于600 ℃，積碳反應的化學反應速率減慢，
消碳反應的化學反應速率加快，積碳量減少
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反應CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)和CH4(g)
C(s)＋2H2(g)均是反應前后氣體分子數增大的反應，增大壓強，平衡均逆向移動，可減少積碳量，但CH4的平衡轉化率降低，A項錯誤；
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假設CH4的物質的量不變，增大CO2的物質的量，CO2與CH4的物質的量之比增大，對于反應CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)，平衡正向移動，CH4的濃度減小，對于積碳反應CH4(g) C(s)＋2H2(g)，
由于甲烷濃度減小，平衡逆向移動，碳含量減少，對于消碳反應CO2(g)
＋C(s) 2CO(g)，平衡正向移動，碳含量減少，綜上分析，增大CO2與CH4的物質的量之比，有助于減少積碳，B項正確；
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平衡常數只與溫度有關，積碳反應和消碳反應都是吸熱反應，升高溫度，平衡均正向移動，兩個反應的平衡常數都增大，C項錯誤；
根據圖像，溫度高于600 ℃，積碳量減少，但溫度升高，體系中所有反應的反應速率都加快，D項錯誤。
11.工業上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：CH3OH(g)＋CO(g)
HCOOCH3(g)，在容積固定的密閉容器中，投入等物質的量CH3OH和CO，測得相同時間內CO的轉化率隨溫度的變化如圖所示。下列說法不正確的是
A.增大壓強，甲醇轉化率增大
B.b點反應速率：v正＝v逆
C.平衡常數：K(75 ℃)>K(85 ℃)，反應速率：
vbD.生產時反應溫度控制在80～85 ℃為宜
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CH3OH(g)＋CO(g) HCOOCH3(g)的正反應是氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的轉化率增大，故A正確；
由題圖可知，溫度低于83 ℃時，隨著溫度的升高，CO的轉化率增大，83 ℃時反應達到平衡，b點時反應沒有達到平衡，仍向正反應方向進行，v正>v逆，故B錯誤；
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由題圖可知，溫度高于83 ℃時，隨著溫度的升高，CO的轉化率減小，說明升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小，因此K(75 ℃)>K(85 ℃)，溫度越高反應速率越大，因此反應速率：vb由題圖可知，在80～85 ℃時，CO的轉化率較大，且反應速率較快，因此生產時反應溫度控制在80～85 ℃為宜，故D正確。
綜合強化
12.在一定條件下，利用CO2合成CH3OH的反應為CO2(g)＋3H2(g)
CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1。研究發現，反應過程中發生副反應：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，溫度對CH3OH、CO的產率影響如圖所示。下列說法不正確的是
A.ΔH1＜0，ΔH2＞0
B.增大壓強有利于加快合成反應的速率
C.選用合適的催化劑可以減弱副反應的發生
D.生產過程中，溫度越高越有利于提高CH3OH的產率
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根據圖示知，升高溫度，CH3OH的產率降低，反應CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)的平衡向逆反應方向移動，則ΔH1＜0；升高溫度，CO的產率增大，反應CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)的平衡向正反應方向移動，則ΔH2＞0，A正確；
由圖像可知，溫度越高CH3OH的產率越低，D錯誤。
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13.人工固氮是目前研究的熱點。Haber-Bosch合成NH3法是以鐵為主要催化劑、在400～500 ℃和10～30 MPa的條件下，由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反應生成17 g NH3時放出46 kJ熱量，寫出該反應的熱化學方程式：___________________________________________。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1
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(2)我國科學家研制出一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到350 ℃、1 MPa，該催化劑對工業生產的意義是___________________
_______________。
節能、降低生產成本
(答案合理即可)
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(3)在2 L恒容密閉容器中，按投料比 分別為1∶1、2∶1、3∶1進行反應，相同時間內測得N2的轉化率與溫度、投料比的關系如圖所示(不考慮催化劑失活)。
①曲線Ⅰ表示投料比 ＝_____。某溫度下，曲線
3∶1
Ⅰ對應反應達到平衡時N2的轉化率為x，則此時混合氣體中NH3的體積分數
為_____________(用含x的代數式表示)。
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N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol　　　　　 1　　 3　　　　0
轉化/mol　　　　　 x　　 3x　　　 2x
平衡/mol　　　　　1－x　 3－3x　　2x
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②下列有關圖像的分析錯誤的是______(填字母)。
A.投料比越大，H2的平衡轉化率越大
B.TC.T>T0，投料比一定時，升高溫度，平衡向左移動
D.T>T0，投料比一定時，升高溫度，反應速率減小
AD
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投料比越大，H2的平衡轉化率越小，故A錯誤；
投料比一定時，升高溫度，化學反應速率增大，故B
正確、D錯誤；
投料比一定時，由于該反應是放熱反應，所以平衡之
后，升高溫度，平衡逆向移動，故C正確。
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14.工業上，常采用氧化還原法處理尾氣中的CO、NO。已知瀝青混凝土可作為反應2CO(g)＋O2(g)
2CO2(g)的催化劑。如圖表示在相同的恒容密閉容器中，相同起始濃度、相同反應時間段內，
使用相同質量的不同瀝青混凝土(α、β型)催化時，CO的轉化率與溫度的關系。
(1)在a、b、c、d四點中，一定未達到平衡狀態的是____。
a
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由題圖可知，相同反應時間段內，隨著溫度的升高，CO的轉化率先增大后減小，溫度越高，反應速率越快，則溫度較低時未達到平衡狀態，達到平衡狀態后隨著溫度的升高，
平衡發生移動。當反應達到平衡后，升高溫度，CO的轉化率降低，所以2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)是放熱反應，a點反應未達到平衡狀態。
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(2)已知c點時容器中O2濃度為0.04 mol·L－1，則50 ℃時，在α型瀝青混凝土中CO轉化反應
的平衡常數K＝__________ mol－1·L(用含x的代數式表示)。
綜合強化
c點時，CO的轉化率為x，設CO的起始濃度為a mol·L－1，可列出三段式：
2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)　
起始/(mol·L－1)　 a　　　　　　　 0
變化/(mol·L－1)　 ax　　　　　　　ax
平衡/(mol·L－1)　 a(1－x) 0.04　　 ax
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(3)CO轉化反應的平衡常數：K(a)____(填“>”
“<”或“＝”)K(c)。
>
由上述分析可知，該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，K減小，c點溫度高于a點溫度，則K(a)>K(c)。
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(4)在均未達到平衡狀態時，相同反應時間段內，同溫下____(填“α”或“β”)型瀝青混凝土中CO轉化速率大。
β
由題圖可知，同溫下反應未達到平衡狀態時，相同反應時間段內，β型瀝青混凝土中CO轉化率高，則其轉化速率大。
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(5)e點轉化率出現突變的原因可能是_________________________。
溫度較高，催化劑失去活性
返回作業23　化學反應條件的優化——工業合成氨
(分值：100分)
(選擇題1～8題，每小題6分，9～12題，每小題8分，共80分)
題組一　工業合成氨條件的理論分析
1．工業合成氨反應中，使用催化劑和施以高壓，下列敘述正確的是(　　)
A．都能提高反應速率，都對化學平衡狀態無影響
B．都對平衡狀態有影響，都不影響達到平衡狀態所用的時間
C．都能縮短達到平衡狀態所用的時間，只有加壓對化學平衡狀態有影響
D．催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間，而加壓無此作用
2．下列有關合成氨工業的說法正確的是(　　)
A．N2的量越多，H2的轉化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成
C．工業合成氨的反應是熵增加的放熱反應，在任何溫度下都可自發進行
D．工業合成氨的反應是熵減小的放熱反應，在常溫時可自發進行
3．N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，向容器中通入1 mol N2和3 mol H2，當反應達到平衡時，下列措施能提高N2轉化率的是(　　)
①降低溫度
②維持溫度、容積不變，按照物質的量之比為1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物質的量
④維持恒壓條件，通入一定量惰性氣體
A．①④ B．①② C．②③ D．③④
題組二　工業合成氨的適宜條件
4．下列所示是哈伯法制氨的流程圖，其中為提高原料轉化率而采取的措施是(　　)
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
5．(2023·濟南高二質檢)合成氨問題，關乎到世界化工發展和糧食安全問題。下列對合成氨工業的敘述不正確的是(　　)
A．高壓條件比常壓條件更有利于合成氨的反應
B．合成氨時采用循環操作，可以提高原料利用率
C．工業生產采用500 ℃而不采用常溫，是為了提高合成氨的轉化率
D．鐵觸媒的使用有利于提高合成氨單位時間內的生產效率
6．諾貝爾化學獎曾授予致力于研究合成氨與催化劑表面積大小關系的德國科學家格哈德·埃特爾，表彰他在固體表面化學的研究中作出的貢獻。下列說法正確的是(　　)
A．增大催化劑的表面積，能增大氨氣的產率
B．增大催化劑的表面積，能加快合成氨的正反應速率、降低逆反應速率
C．采用正向催化劑時，反應的活化能降低，使反應明顯加快
D．工業生產中，合成氨采用的壓強越高，溫度越低，越有利于提高經濟效益
題組三　化學反應的調控
7．下列關于化學反應的調控措施說法不正確的是(　　)
A．硫酸工業中，為提高SO2的轉化率，通入過量的空氣
B．工業上增加煉鐵高爐的高度可以有效降低尾氣中CO的含量
C．合成氨工業中，從生產實際條件考慮，不盲目增大反應壓強
D．合成氨工業中，為提高氮氣和氫氣的利用率，采用循環操作
8．已知工業上常用石灰乳吸收尾氣中的NO和NO2，涉及的反應為NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾氣中NO和NO2去除率的是(　　)
A．加快通入尾氣的速率 B．用石灰水替代石灰乳
C．適當補充O2 D．升高溫度
9．納米鈷常用于CO加氫反應的催化劑：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列說法正確的是(　　)
A．納米技術的應用，優化了催化劑的性能，提高了反應物的轉化率
B．縮小容器體積，平衡向正反應方向移動，CO的濃度增大
C．從平衡體系中分離出H2O(g)能加快正反應速率
D．工業生產中采用高溫條件下進行，其目的是提高CO的平衡轉化率
10.CH4-CO2催化重整可以得到合成氣(CO和H2)，有利于緩解溫室效應，其主要反應為CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247 kJ·mol－1，同時存在以下反應：CH4(g)?C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ·mol－1(積碳反應), CO2(g)＋C(s) 2CO(g)　ΔH＝＋172 kJ·mol－1(消碳反應)，假設體系溫度恒定。積碳反應會影響催化劑的活性，一定時間內積碳量和反應溫度的關系如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．高壓有利于提高CH4的平衡轉化率并減少積碳
B．增大CO2與CH4的物質的量之比有助于減少積碳
C．升高溫度，積碳反應的化學平衡常數K1減小，消碳反應的化學平衡常數K2增大
D．溫度高于600 ℃，積碳反應的化學反應速率減慢，消碳反應的化學反應速率加快，積碳量減少
11．工業上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯：CH3OH(g)＋CO(g) HCOOCH3(g)，在容積固定的密閉容器中，投入等物質的量CH3OH和CO，測得相同時間內CO的轉化率隨溫度的變化如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A．增大壓強，甲醇轉化率增大
B．b點反應速率：v正＝v逆
C．平衡常數：K(75 ℃)>K(85 ℃)，反應速率：vbD．生產時反應溫度控制在80～85 ℃為宜
12．在一定條件下，利用CO2合成CH3OH的反應為CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1。研究發現，反應過程中發生副反應：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，溫度對CH3OH、CO的產率影響如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A．ΔH1＜0，ΔH2＞0
B．增大壓強有利于加快合成反應的速率
C．選用合適的催化劑可以減弱副反應的發生
D．生產過程中，溫度越高越有利于提高CH3OH的產率
13．人工固氮是目前研究的熱點。Haber-Bosch合成NH3法是以鐵為主要催化劑、在400～500 ℃和10～30 MPa的條件下，由N2和H2直接合成NH3。
(1)上述反應生成17 g NH3時放出46 kJ熱量，寫出該反應的熱化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)我國科學家研制出一種新型催化劑，將合成氨的溫度、壓強分別降到350 ℃、1 MPa，該催化劑對工業生產的意義是________________________________________________。
(3)在2 L恒容密閉容器中，按投料比分別為1∶1、2∶1、3∶1進行反應，相同時間內測得N2的轉化率與溫度、投料比的關系如圖所示(不考慮催化劑失活)。
①曲線Ⅰ表示投料比＝__________。某溫度下，曲線Ⅰ對應反應達到平衡時N2的轉化率為x，則此時混合氣體中NH3的體積分數為______________(用含x的代數式表示)。
②下列有關圖像的分析錯誤的是________(填字母)。
A．投料比越大，H2的平衡轉化率越大
B．TC．T>T0，投料比一定時，升高溫度，平衡向左移動
D．T>T0，投料比一定時，升高溫度，反應速率減小
14．(10分)工業上，常采用氧化還原法處理尾氣中的CO、NO。已知瀝青混凝土可作為反應2CO(g)＋O2(g)??2CO2(g)的催化劑。如圖表示在相同的恒容密閉容器中，相同起始濃度、相同反應時間段內，使用相同質量的不同瀝青混凝土(α、β型)催化時，CO的轉化率與溫度的關系。
(1)在a、b、c、d四點中，一定未達到平衡狀態的是____________。
(2)已知c點時容器中O2濃度為0.04 mol·L－1，則50 ℃時，在α型瀝青混凝土中CO轉化反應的平衡常數K＝________________ mol－1·L(用含x的代數式表示)。
(3)CO轉化反應的平衡常數：K(a)____________(填“>”“<”或“＝”)K(c)。
(4)在均未達到平衡狀態時，相同反應時間段內，同溫下____________(填“α”或“β”)型瀝青混凝土中CO轉化速率大。
(5)e點轉化率出現突變的原因可能是________。
作業23　化學反應條件的優化——工業合成氨
1．C　2.D　3.B　4.B　5.C　6.C　7.B　8.C　9.B　10.B
11．B　[CH3OH(g)＋CO(g)??HCOOCH3(g)的正反應是氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的轉化率增大，故A正確；由題圖可知，溫度低于83 ℃時，隨著溫度的升高，CO的轉化率增大，83 ℃時反應達到平衡，b點時反應沒有達到平衡，仍向正反應方向進行，v正>v逆，故B錯誤；由題圖可知，溫度高于83 ℃時，隨著溫度的升高，CO的轉化率減小，說明升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小，因此K(75 ℃)>K(85 ℃)，溫度越高反應速率越大，因此反應速率：vb12．D　[根據圖示知，升高溫度，CH3OH的產率降低，反應CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)的平衡向逆反應方向移動，則ΔH1＜0；升高溫度，CO的產率增大，反應CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)的平衡向正反應方向移動，則ΔH2＞0，A正確；由圖像可知，溫度越高CH3OH的產率越低，D錯誤。]
13．(1)N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1
(2)節能、降低生產成本(答案合理即可)
(3)①3∶1　×100%　②AD
解析　(1)17 g NH3的物質的量是＝1 mol，生成1 mol NH3時放出46 kJ熱量，則生成2 mol氨氣放出的熱量是92 kJ，所以該反應的熱化學方程式是N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1。
(3)①在相同溫度下，投料比越大，氮氣的轉化率越高，則曲線Ⅰ表示投料比＝3∶1，設H2、N2的初始物質的量分別為3 mol、1 mol，列出三段式：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol　　　　　1　　　　3　　　　0
轉化/mol　　　　　x　　　　3x　　　2x
平衡/mol　　　　　1－x　　3－3x　　2x
所以混合氣體中NH3的體積分數為×100%＝×100%。②投料比越大，H2的平衡轉化率越小，故A錯誤；投料比一定時，升高溫度，化學反應速率增大，故B正確、D錯誤；投料比一定時，由于該反應是放熱反應，所以平衡之后，升高溫度，平衡逆向移動，故C正確。
14．(1)a　(2)　(3)>　(4)β
(5)溫度較高，催化劑失去活性
解析　(1)由題圖可知，相同反應時間段內，隨著溫度的升高，CO的轉化率先增大后減小，溫度越高，反應速率越快，則溫度較低時未達到平衡狀態，達到平衡狀態后隨著溫度的升高，平衡發生移動。當反應達到平衡后，升高溫度，CO的轉化率降低，所以2CO(g)＋O2(g)??2CO2(g)是放熱反應，a點反應未達到平衡狀態。(2)c點時，CO的轉化率為x，設CO的起始濃度為a mol·L－1，可列出三段式：
2CO(g)＋O2(g) 2CO2(g)　
起始/(mol·L－1)　　　a　　　　　　　　0
變化/(mol·L－1)　　　ax　　　　　　　ax
平衡/(mol·L－1)　　　a(1－x)　0.04　　ax
則K＝＝ mol－1·L＝ mol－1·L。
(3)由上述分析可知，該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，K減小，c點溫度高于a點溫度，則K(a)>K(c)。
(4)由題圖可知，同溫下反應未達到平衡狀態時，相同反應時間段內，β型瀝青混凝土中CO轉化率高，則其轉化速率大。

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