高中化學（情景導入+課前導讀+知識解惑+課堂演練）第二章 第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨課件 魯科版選修4

第第4 4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化節(jié)化學反應條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨 化學反應的方向、限度與速率用N2和H2為原料實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產曾是一個艱巨的課題。從第一次實驗室研制到工業(yè)化生產，經歷了從18世紀末到20世紀初的一百多年的時間。由于化學反應的快慢和限度、催化劑等基礎理論的發(fā)展，高溫、高壓等工業(yè)技術條件的改善，以及許多研究工作者的反復實驗，德國化學家哈伯科學地創(chuàng)造適宜的條件調控合成氨的反應，終于在1913年實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產，滿足了20世紀世界人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是用空氣制造面包的圣人。問題：根據合成氨反應原理：N2 (g)3H2 (g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1，外界條件對合成氨反應平衡有何影響？1合成氨反應是一個能自發(fā)進行的放熱反應，同時也是氣體的物質的量_的_反應。因此，_溫度、_壓強將有利于化學平衡向生成氨的方向移動。在一定溫度、壓強下，反應物氮氣、氫氣的體積比為_時，平衡混合物中氨的含量最高。2依據平衡移動的原理可知，合成氨反應在_壓和_溫的條件下進行時，才能得到較高的產率。但是，高壓條件對設備提出了苛刻的要求，而反應溫度的降低勢必_達到化學平衡的時間，致使生產效率降低，失去工業(yè)化生產的意義。 1 3減小熵減降低增大延長高低3由反應速率與參與反應物質的濃度的關系式可知，合成氨反應的速率與氮氣濃度的_次方成正比，與氫氣濃度的_次方成正比，與氨氣濃度的_次方成反比。在反應過程中，隨著氨的濃度的增大，反應速率會逐漸_，因此為了保持足夠高的反應速率，應適時將_從混合氣中分離出來。在其他條件相同的情況下，使用_可以使合成氨反應的速率提高上萬億倍。溫度對合成氨反應的速率也有顯著影響：溫度越高，反應進行得越快。 催化劑11.51降低氨4目前，合成氨生產中一般選擇_作為催化劑；控制反應溫度在_左右。根據反應器可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強；通常采用氮氣與氫氣的物質的量之比為_的投料比。1 2.8鐵700 K 5對合成氨反應條件的綜合分析 (1)從合成氨的化學平衡分析：有利于提高轉化率的措施 (2)從合成氨的反應速率分析： (3)選擇合成氨的條件時，既不能片面的追求高轉化率，也不能只追求高反應速率，而應該尋找較高的反應速率獲得適當平衡轉化率的反應條件。此外，還應該考慮原料的價格、未轉化的合成氣(H2和N2)的循環(huán)使用、反應熱的綜合利用等問題。分離降低提高提高使用(正)合成氨反應的限度合成氨反應的限度1分析合成氨反應的自發(fā)性已知：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)；H92.2 kJmol1，S198.2 JK1mol1在298 K 時，HTS92.2 kJmol1298 K(198.2103)kJK1mol133.1 kJmol10。故該反應在298 K時能自發(fā)進行。2合成氨的條件該反應是正反應體積減小、放熱、熵減的可逆反應，由化學平衡移動原理及影響平衡移動的條件知，合成氨的理想條件是：低溫、高壓。實驗表明：在一定的溫度和壓強下，反應物N2、H2的體積比為1 3時，平衡混合物中氨的含量最高。 保持溫度、壓強不變，合成氨反應達到平衡狀態(tài)時，進行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是() A恒溫、恒壓時，充入NH3B恒溫、恒容時，充入N2 C恒溫、恒壓時，充入He D恒溫、恒容時，充入He 解析：本題考查濃度對化學平衡的影響。在恒溫、恒壓時，向平衡體系中加入NH3，體系體積增大，由于加入物質是生成物，實際上是等于減少了反應物的濃度(反應物的體積變大，而物質的量沒變)，此時，正反應速率小于逆反應速率，平衡向左移，故A將發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，充入N2使容器內壓強增大。由于整個體系的體積不變，所以加入N2后，反應物N2的濃度增大，所以平衡向右移動。故B發(fā)生移動。在恒溫、恒壓時，加入He，使整個體系做等壓膨脹，體積變大，He雖然不參與化學反應，但由于體積的膨脹，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的濃度都相應減小，結果，反應物濃度減小的程度比生成物濃度減小的程度大，此時正反應速率小于逆反應速率，平衡左移。故C發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，向體系中加入He，使整個體系壓強增大，但由于He不參與反應，對于參加反應的物質而言，它們的物質的量和體積都沒有變化，所以濃度沒變，故平衡不發(fā)生移動。答案：D合成氨的反應速率合成氨的反應速率1由平衡移動的原理可知，合成氨要在高壓和低溫下才能得到較高的產率。但是高壓條件對設備的要求高，而反應溫度的降低勢必延長達到化學平衡的時間，致使生產效率降低，失去了工業(yè)生產的意義。因此在尋找最佳的生產條件時，除了考慮反應的限度外，還需要研究哪些措施可以用來提高化學反應速率。 2增大反應速率的方法：可以采用升高溫度、增大壓強、增大反應物N2(或H2)的濃度及使用催化劑等措施來提高合成NH3的反應速率。 3濃度對化學反應速率的影響 從vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，在一定的溫度、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，與生成物濃度c(NH3)成反比關系。因此可以采用增大反應物濃度、減小生成物濃度來提高化學反應速率。 4催化劑對化學反應速率的影響 加催化劑可以使反應的活化能從335 kJmol1降低為167 kJmol1， 3.41012(700 K)表明，使用催化劑后可以使合成氨的反應速率提高上萬億倍，因為催化劑改變了反應的歷程，降低了反應所需的活化能，增大了反應速率常數(shù)，大大提高了化學反應速率。 結論：從化學反應速率理論方面分析：增大反應物濃度、使用合適的催化劑、增大壓強及升高溫度都可以增大合成氨的反應速率。 對于合成氨的反應來說，使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是() A都能提高反應速率，都對化學平衡狀態(tài)無影響 B都對化學平衡狀態(tài)有影響，都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間 C都能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強對化學平衡狀態(tài)有影響 D催化劑能縮短反應達到平衡狀態(tài)所用的時間，而壓強無此作用解析：本題考查運用平衡移動原理及化學反應速率理論來解決問題的實際應用能力。對于化學反應N2 (g)3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能降低反應所需活化能，增大反應速率常數(shù)，提高反應速率，縮短達到平衡狀態(tài)所用時間，不能使化學平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應速率，使反應達到平衡狀態(tài)所用時間縮短，也能使化學平衡向生成NH3的方向移動。答案為C。答案：C 在一定條件下，將10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應N2(g) 3H2(g)2NH3(g)，并達到平衡狀態(tài)，則H2的轉化率可能是() A15%B30%C35%D75% 解析：對可逆反應而言，任何一種物質都不能完全轉化。為方便解題，假設N2完全轉化，則消耗H2的物質的量為：n消耗(H2)3n(N2)3.0 mol 事實上，N2完全轉化是不可能的，因而消耗H2的物質的量絕對小于3.0 mol，故H2的最大轉化率：最大(2) 100%30%，觀察備選項可知答案。 答案：A合成氨的適宜條件合成氨的適宜條件1化學反應條件的優(yōu)化化學反應速率和化學平衡的調控在生活、生產和科學研究領域起著重要的作用，在實際生產中應當運用對立統(tǒng)一的規(guī)律，綜合化學反應速率和化學平衡移動原理，既考慮反應的快慢(反應速率的大小)，又考慮反應進行的程度(化學平衡)。在這個過程中還要堅持以下三個原則：既要注意外界條件對化學反應速率和化學平衡影響的一致性，又要注意對二者影響的矛盾性；既要注意溫度、催化劑對反應速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對溫度的限制；既要注意理論上的需要，又要注意實際生產的可能性。2對于某一特定的實際反應，選取適宜的外界條件的基本思路 (1)從可逆性、反應前后條件系數(shù)的變化、焓變三個角度分析化學反應的特點。(2)根據反應特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮。外界條件有利于增大速率的條件控制有利于平衡的條件控制綜合分析結果濃度增大反應物的濃度增大反應物的濃度、減小生成物的濃度不斷地補充反應物，及時地分離出生成物催化劑加合適的催化劑不需要加合適的催化劑溫度高溫H0高溫在設備條件允許的前提下，盡量采取高溫并選取催化劑壓強高壓(有氣體參加)n(g) 0低壓兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強例如：合成氨的工業(yè)生產：壓強：溫度一定時，增大混合氣體的壓強對合成氨的速率和平衡都有利，但壓強越大需要的動力越大，對材料的強度和設備的制造要求越高，一般采用21075107 Pa。溫度：從平衡的角度考慮，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應速率變慢，需要很長時間才能達到平衡，很不經濟，所以實際生產中，采用500左右的適宜溫度(在此溫度時催化劑的活性最大)。催化劑：為了加快反應速率，采用以鐵為主體的鐵催化劑。濃度：不斷地補充氮氣和氫氣，及時地分離出氨氣。 可逆反應3H2(g)N2(g) 2NH3(g)；H0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，降低壓強，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 解析：本題旨在考查影響化學平衡的外界因素的應用與分析。本題要求增大合成氨反應中氫氣的轉化率，就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應的其他條件，使更多的氫氣轉化為氨。從化學平衡分析也就是使平衡向正反應方向移動。先分析溫度的影響，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。合成氨反應前后都是氣體物質，反應前氣體體積比反應后氣體體積更大，所以增大壓強會使平衡向氣體體積減小的方向移動，即向正反應方向移動，選項A是錯誤的，其他選項中增大壓強是正確的。有關濃度的影響，增大反應物濃度或減小生成物濃度，會使平衡向正反應方向移動，在合成氨反應中增加氮氣和減少(分離出)氨可以使反應向正方向移動。加入催化劑可加快反應，但對平衡移動無影響，選項B是錯誤的。所以只有選項D是正確的。答案：D 合成氨的反應：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)，在一定條件下已達到平衡狀態(tài)。(1)此時_相等，_保持不變，而_卻仍在進行，因此化學平衡是_平衡。 (2)若降低溫度，會使上述化學平衡向生成氨的方向移動，則正反應是_反應，生成1摩爾氨的反應熱是46.1 kJ，則該反應的熱化學方程式為_。 (3)合成氨時，選擇500高溫的目的是_。 (4)若反應容器的體積不變，原反應溫度不變，而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，則上述平衡向_移動；若在平衡體系中加入氦氣，則上述平衡_移動。解析：解決此問題的關鍵是：(1)根據化學平衡狀態(tài)的定義及特點可知，反應達到平衡狀態(tài)時，正、逆反應速率相等，各反應物和生成物的濃度保持不變，而正、逆反應卻仍在進行，因此化學平衡是動態(tài)平衡。(2)由溫度對化學平衡的影響可知，降低溫度使化學平衡向正反應方向移動，則正反應一定是放熱反應。由題意知，生成2 mol氨的反應熱是46.1 kJ2，即92.2 kJ，則合成氨反應的熱化學方程式為N2(g) 3H2(g)2NH3 (g)；H92.2 kJmol1。(3)升高溫度和加入催化劑都能加快反應速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大。(4)若保持反應容器的體積和反應溫度不變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當于增大體系的壓強，根據壓強對化學平衡的影響，可判斷上述平衡應該向正反應方向移動。若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應，由于反應容器的體積和反應溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內總的壓強，并未改變反應體系的壓強，因此氦氣的加入對上述平衡沒有影響即化學平衡不移動。 答案：(1)正、逆反應速率各反應物和生成物的濃度正、逆反應動態(tài)(2)放熱N2(g) 3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1(3)加快反應速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大(4)正反應方向不合成氨生產的工藝流程探究合成氨生產的工藝流程探究1生產流程：制氣凈化除雜壓縮合成冷卻分離循環(huán)壓縮。 合成氨生產示意圖：2原料氣的制備(1) N2物理方法：將空氣液化蒸發(fā)分離出N2。由于相對分子質量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點：N2O2CO2H2O(g)，因此，高壓下將空氣液化后，經減壓蒸發(fā)，最先得到的是N2，然后還可以得到O2等。此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法。工業(yè)上的化學方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。(2) H2工業(yè)上用水蒸氣與焦炭在高溫下反應，吸收CO2后制得。 CH2O(g) COH2COH2O(g) CO2H2工業(yè)上也可用碳氫化合物與氧氣或水蒸氣反應生成CO2和H2，吸收CO2后制得H2。如CH4H2O CO3H2，COH2O CO2H2。 3原料氣凈化、除雜、壓縮后通入合成塔。 催化劑4NH3的合成 在合成塔中進行。從塔口進氣，經熱交換器與塔內反應后的高溫氣體逆流交換熱量后，進入接觸室與鐵觸媒接觸反應，從塔下口出氣。 5NH3的分離 混合氣經冷卻后，進入氨分離器，只有氨氣在該壓強下液化得到液氨，而未反應的N2和H2經循環(huán)壓縮機壓縮后，再通入合成塔中進行反應。因此，雖然合成氨反應的產率不高，但經過循環(huán)反應后，N2和H2可以全部轉化為NH3。 此外，如果讓N2和H2的混合氣體，只一次通過合成塔起反應也是很不經濟的，應將與NH3分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度，以有利于合成氨反應。 下面是合成氨的簡要流程示意圖：請回答下列問題： 沿X路線回去的物質是_，其體積比為_。解析：合成氨的反應是一個可逆反應，所以從合成塔中出來的氣體主要是N2、H2和NH3，在冷凝器中NH3因沸點低被冷凝，沿X路線回去的氣體是N2和H2，且其體積比為1 3。因為充入的N2和H2的體積比是1 3，反應的N2和H2的體積比是1 3，所以剩余的N2和H2的體積比也是1 3。答案：N2和H21 31. 碳酸銨(NH4)2CO3)在室溫下就能自發(fā)地分解產生氨氣，對其說法正確的是() A碳酸銨分解是因為生成了易揮發(fā)的氣體，使體系的熵增大 B碳酸銨分解是因為外界給予了能量 C碳酸銨分解是吸熱反應，根據能量判據不能自發(fā)分解 D碳酸鹽都不穩(wěn)定，都能自發(fā)分解解析：碳酸銨自發(fā)分解，是因為體系由于氨氣的生成而使熵增大。答案：A2有關合成氨工業(yè)的說法中，正確的是() A從合成塔出來的混合氣體，其中NH3只占15%，所以生產氨的工廠的效率都很低 B由于氨易液化，N2、H2在實際生產中是循環(huán)使用，所以總體來說氨的產率很高 C合成氨工業(yè)的反應溫度控制在500，目的是使化學平衡向正反應方向移動 D合成氨廠采用的壓強是21075107 Pa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最大2解析：合成氨的反應在適宜的生產條件下達到平衡時，原料的轉化率并不高，但生成的NH3分離出后，再將未反應的N2、H2循環(huán)利用，這樣處理后，可使生產氨的產率都較高，據此可知A項錯誤，B項正確；合成氨工業(yè)選擇500左右的溫度，是綜合了多方面的因素確定的。因合成氨的反應是放熱反應，低溫才有利于平衡向正反應方向移動，故C項錯誤；無論從反應速率還是化學平衡考慮，高壓更有利于合成氨，但壓強太大，對設備、動力的要求更高，基于此選擇了21075107 Pa的高壓，催化劑活性最大時的溫度是500，故D項錯誤。答案：B