高中化学 29 化学反应的调控

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一、化学反应调控的必要性

在化工生产和科学研究中，化学反应的调控至关重要。一方面，通过调控可以加快反应速率，使反应在较短时间内达到平衡或获得较高的产量，从而提高生产效率；另一方面，能够控制反应的进行程度，使反应朝着有利于目标产物生成的方向进行，提高原料的利用率，降低生产成本，同时减少副反应的发生，提高产品的质量和纯度。

二、影响化学反应调控的因素及调控方法

（一）浓度对化学反应的调控

原理：增大反应物浓度，使反应体系中单位体积内的活化分子数增多，有效碰撞几率增加，从而加快反应速率，同时可使反应向有利于正反应的方向进行，提高反应物的转化率。反之，减小反应物浓度，反应速率减慢，反应向逆反应方向移动。

调控方法：

对于可逆反应，可通过增加廉价、易得的反应物浓度，使平衡向正反应方向移动，提高另一种反应物的转化率。如在合成氨反应\(N_{2}+3H_{2}\rightleftharpoons2NH_{3}\)中，通常会适当增加氮气的浓度，使氢气的转化率提高。

及时分离出生成物，降低生成物浓度，促使反应向正反应方向持续进行，以提高反应物的转化率。在硫酸工业中，二氧化硫转化为三氧化硫的反应\(2SO_{2}+O_{2}\rightleftharpoons2SO_{3}\)，通过用浓硫酸吸收三氧化硫，使反应不断向右进行，提高二氧化硫的转化率。

（二）压强对化学反应的调控

原理：对于有气体参加的化学反应，增大压强（减小容器体积），相当于增大反应物的浓度，反应速率加快，平衡向气体体积减小的方向移动；减小压强（增大容器体积），相当于减小反应物的浓度，反应速率减慢，平衡向气体体积增大的方向移动。

调控方法：

在合成氨工业中，反应\(N_{2}+3H_{2}\rightleftharpoons2NH_{3}\)是一个气体体积减小的反应，通常采用高压条件，一般控制在\(10MPa - 30MPa\)，使反应向有利于生成氨的方向移动，提高氨的产率。

对于一些反应前后气体体积不变的反应，如\(H_{2}+I_{2}\rightleftharpoons2HI\)，改变压强对平衡移动无影响，但增大压强可加快反应速率，因此在实际生产中可根据具体情况适当选择压强条件，以达到提高生产效率的目的。

（三）温度对化学反应的调控

原理：温度升高，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的普通分子变成活化分子，活化分子百分数增加，有效碰撞次数增多，反应速率加快。同时，温度的改变会影响化学平衡常数，进而影响反应的进行程度。对于吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动；对于放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动。

调控方法：

在合成氨反应中，该反应是放热反应，从平衡移动的角度考虑，降低温度有利于反应向正反应方向进行，但温度过低，反应速率会变得很慢，达到平衡所需时间过长。因此，实际生产中一般选择在\(400^{\circ}C - 500^{\circ}C\)的温度范围，此时催化剂的活性较高，反应速率较快，虽然从平衡角度氨的产率有所降低，但综合考虑反应速率和产率等因素，该温度条件较为适宜。

对于一些需要在较高温度下进行的吸热反应，如碳酸钙的分解反应\(CaCO_{3}\rightleftharpoons CaO + CO_{2}\uparrow\)，则需要提供足够的热量，升高温度使反应能够顺利进行，以获得所需的产物。

（四）催化剂对化学反应的调控

原理：催化剂能够改变化学反应的途径，降低反应的活化能，使更多的反应物分子成为活化分子，大大提高了单位体积内反应物分子的百分数，从而显著提高反应速率，但催化剂不影响化学平衡的移动。

调控方法：

在许多化工生产过程中广泛使用催化剂来加快反应速率，提高生产效率。如在合成氨反应中，通常会使用铁触媒作为催化剂，使反应在较低温度下就能达到较高的反应速率，大大缩短了达到平衡所需的时间。

在石油裂解反应中，使用不同的催化剂可以得到不同的产物分布，因此可以根据市场需求和生产目的选择合适的催化剂，调控反应的方向和产物的选择性。

三、综合调控在化工生产中的应用

在实际的化工生产中，往往需要综合考虑各种因素，对化学反应进行全面的调控。例如，在合成氨工业中，同时采用了高温、高压和催化剂等条件，通过选择合适的温度、压强以及高效的催化剂，使反应速率和反应物转化率都能达到较为理想的水平，实现了经济效益和生产效率的最大化。又如，在硫酸工业中，二氧化硫转化为三氧化硫的反应，通过控制适宜的温度、压强，并使用催化剂，同时及时分离出三氧化硫，使反应能够高效、稳定地进行，提高了二氧化硫的转化率和硫酸的产量。

化学反应的调控是一个复杂而重要的过程，需要综合考虑浓度、压强、温度、催化剂等多种因素，根据具体的化学反应和生产要求，选择合适的调控方法和条件，以实现化学反应的优化和化工生产的高效、经济运行。

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