2018-2019版高中化學(xué) 第2章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率 第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件 魯科版選修4.ppt

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1、第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨,第2章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率,[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，會(huì)選擇合成氨的適宜條件。 2.體會(huì)應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。,,,新知導(dǎo)學(xué),達(dá)標(biāo)檢測(cè),內(nèi)容索引,新知導(dǎo)學(xué),,一、合成氨反應(yīng)的限度、速率,,1.合成氨反應(yīng)的特點(diǎn) 合成氨反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K時(shí)：ΔH＝－92.2 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (1)可逆性：反應(yīng)為 反應(yīng)。 (2)體積變化：正反應(yīng)是氣體體積 的反應(yīng)。 (3)焓變：ΔH 0，熵變?chǔ) 0。 (4)自發(fā)性：常溫(

2、298 K)下，ΔH－TΔS 0，能自發(fā)進(jìn)行。,可逆,縮小,<,<,<,2.提高合成氨反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率的條件比較,高壓,高溫,使用,高壓,低溫,無(wú)影響,高壓,使用,增大,增大,降低,合成氨反應(yīng)條件和選擇依據(jù) 提高H2轉(zhuǎn)化率的措施有降溫、加壓、增大N2濃度、降低NH3濃度。,解析 要使氫氣的轉(zhuǎn)化率增大，需使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，需降低溫度；正反應(yīng)為氣體總體積減小的反應(yīng)，需增大壓強(qiáng)；另外還可通過(guò)及時(shí)分離出部分氨氣，減小生成物濃度的方法，促使平衡右移，故D項(xiàng)正確。,例1 可逆反應(yīng)3H2(g)＋N2(g)2NH3(g) ΔH<0，達(dá)到平衡后，為了使

3、H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項(xiàng)中采用的三種方法都正確的是 A.升高溫度，減小壓強(qiáng)，增加氮?dú)?B.降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑 C.升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)?D.降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨,答案,解析,√,解析 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能降低反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。高壓能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。,例2 對(duì)于合成氨的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是 A.都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無(wú)影響 B.都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，

4、都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間 C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響 D.催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而壓強(qiáng)無(wú)此作用,答案,解析,√,,二、工業(yè)合成氨的適宜條件,,1.工業(yè)合成氨的適宜條件,700 K,鐵觸媒,1∶2.8,氨,2.問(wèn)題討論 (1)壓強(qiáng)：目前我國(guó)合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)在1107～1108 Pa，不采用更高壓強(qiáng)的理由是： 、________________ ___________，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。 (2)溫度：升高溫度能提高化學(xué)反應(yīng)速率，但工業(yè)合成氨溫度不能太高的理由是 ①

5、 。 ② 。,壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求越高,壓縮H2和N2所需要,的動(dòng)力越大,合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，轉(zhuǎn)化率降低,700 K催化劑活性最大，升高溫度，催化劑活性減弱,合成氨反應(yīng)條件和選擇依據(jù) 工業(yè)生產(chǎn)中，必須從反應(yīng)限度和反應(yīng)速率兩個(gè)角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料，又要選擇較快的反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量，同時(shí)還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。,例3 下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來(lái)解釋的是 A.使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨 B.高壓比常壓條件更有利于合成氨的反

6、應(yīng) C.500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng) D.合成氨時(shí)采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率,解析 催化劑不影響平衡移動(dòng)；合成氨采用500 ℃是綜合考慮反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率及催化劑的活性溫度；采用循環(huán)操作與平衡移動(dòng)無(wú)關(guān)。,答案,解析,√,知識(shí)總結(jié),合成氨反應(yīng)中，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率并不高，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過(guò)合成塔起反應(yīng)是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將分離NH3后的未轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2，使反應(yīng)物保持一定的濃度，有利于合成氨反應(yīng)的進(jìn)行。,(1)應(yīng)選擇的溫度是________，理由是_______________________________ _______________

7、____________________。 (2)應(yīng)采用的壓強(qiáng)是________，理由是______________________________ _________________________________________________________________________。,例4 已知2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH”或“<”)0。實(shí)際生產(chǎn)條件控制在250 ℃、1.3104 kPa左右，選擇此壓強(qiáng)的理由是_________________________________________________ _______________________

8、_______________________________。,答案,解析,<,在250 ℃、1.3104 kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強(qiáng)CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，而生產(chǎn)成本增加，經(jīng)濟(jì)效益低,解析 從圖像來(lái)看，隨著溫度的升高，CO的轉(zhuǎn)化率變小，故ΔH<0，綜合溫度、壓強(qiáng)對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響來(lái)看，在壓強(qiáng)1.3104 kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大，再增大壓強(qiáng)，CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，但對(duì)設(shè)備和材料的要求越高，需要的動(dòng)力更大，會(huì)增加投資和能量消耗，不經(jīng)濟(jì)。,達(dá)標(biāo)檢測(cè),解析 根據(jù)題目要求，既要滿足增大速率，又要滿足使化學(xué)平衡向右移動(dòng)。從反應(yīng)速率角度分析，①④⑦三種條件下化學(xué)反應(yīng)速率降低；⑥條件下

9、化學(xué)反應(yīng)速率不變。從平衡移動(dòng)角度分析：②⑤條件下化學(xué)平衡向右移動(dòng)；⑧條件下化學(xué)平衡不移動(dòng)。,1.在合成氨時(shí)，要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學(xué)反應(yīng)速率增大，可以采取的措施有 ①增大體積使壓強(qiáng)減小 ②減小體積使壓強(qiáng)增大 ③升高溫度 ④降低溫度 ⑤恒溫恒容，再充入N2和H2 ⑥恒溫恒壓，再充入N2和H2 ⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3 ⑧使用催化劑 A.②④⑤⑦ B.②③④⑤⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑧,答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,解析 A、B兩項(xiàng)，改變條件平衡均不移動(dòng)，不能用勒夏特列原理解釋； C項(xiàng)，根據(jù)勒夏特列原理，溫度越低，NH3的轉(zhuǎn)化率越高，采取700 K，主要考慮催化劑的活性和反應(yīng)速

10、率問(wèn)題； D項(xiàng)，將混合氣體中的氨液化，相當(dāng)于減小了生成物的濃度，平衡正向移動(dòng)，有利于合成氨反應(yīng)。,2.下列事實(shí)能用勒夏特列原理解釋的是 A.使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨 B.由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深 C.700 K時(shí)比室溫更有利于合成氨的反應(yīng) D.將混合氣體中的氨液化有利于合成氨反應(yīng),答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,3.對(duì)于合成氨反應(yīng)，達(dá)到平衡后，以下分析正確的是 A.升高溫度，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大 B.增大壓強(qiáng)，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大 C.減小反應(yīng)物濃度，對(duì)逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大 D.加入催化劑，對(duì)逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影

11、響更大,答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,解析 A項(xiàng)，合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率都增大，但是溫度對(duì)吸熱反應(yīng)的速率影響更大，所以對(duì)該反應(yīng)來(lái)說(shuō)，對(duì)逆反應(yīng)速率影響更大，錯(cuò)誤； B項(xiàng)，合成氨的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大，正確； C項(xiàng)，減小反應(yīng)物濃度，使正反應(yīng)的速率瞬間減小，由于生成物的濃度沒(méi)有變化，所以逆反應(yīng)速率瞬間不變，然后逐漸減小，故減小反應(yīng)物濃度，對(duì)正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大；錯(cuò)誤； D項(xiàng)，加入催化劑，對(duì)正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響相同，錯(cuò)誤。,解析 合成氨時(shí)選擇700 K高溫可以加快反應(yīng)速率，而且

12、工業(yè)上用的催化劑在該溫度時(shí)活性最大；因?yàn)槌跏己娃D(zhuǎn)化的N2和H2的濃度比都是1∶3，所以當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，N2和H2的濃度比是1∶3；平衡時(shí)保持體積不變，充入氬氣平衡不移動(dòng)；保持壓強(qiáng)不變充入氬氣，容器體積變大，反應(yīng)速率將變小，平衡逆向移動(dòng)；充入N2并保持體積不變，平衡將正向移動(dòng)；保持體積不變，升高溫度時(shí)，平衡逆向移動(dòng)，混合氣體的質(zhì)量不變，總物質(zhì)的量變大，平均相對(duì)分子質(zhì)量變小，密度不變。,4.在密閉容器中，使1 mol N2和3 mol H2混合發(fā)生下列反應(yīng)：3H2＋N22NH3 ΔHv正，N2＋3H22NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))，故溫度升高，v逆>v正。圖中t3時(shí)刻比原來(lái)的速率大，而且變化過(guò)程中v逆＝v正，說(shuō)明平衡未被打破，所以應(yīng)該是催化劑導(dǎo)致的。圖中t4時(shí)刻的變化，v′逆、v′正都減小且v′逆>v′正，所以不可能是溫度的影響，應(yīng)該是壓強(qiáng)減小了，使平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)了。,1,2,3,4,5,6,(2)t1、t3、t4時(shí)刻，體系中分別是什么條件發(fā)生了改變？____________、____________、__________。 (3)下列時(shí)間段中，氨的百分含量最高的是___。 A.0～t1 B.t2～t3 C.t3～t4 D.t5～t6,答案,1,2,3,4,5,6,溫度升高,加入催化劑,壓強(qiáng)減小,A,