高中化學(xué)化學(xué)反應(yīng)原理學(xué)案24化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨[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。一合成氨反應(yīng)的限度、速率1．合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K時(shí)：ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？2．利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識分析什么條件有利于氨的合成？3．外界因素對反應(yīng)速率的影響分析。(1)升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物濃度、使用催化劑來提高合成氨反應(yīng)的速率。(2)實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)中各物質(zhì)濃度的關(guān)系為v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，根據(jù)關(guān)系式分析：①各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率的影響：合成氨反應(yīng)的速率與氮?dú)鉂舛鹊?次方成________，與氫氣濃度的1.5次方成________，與氨氣濃度的1次方成________。②可以采取增大________濃度，將氨及時(shí)從混合氣中分離出去的措施來提高反應(yīng)速率。(3)有、無催化劑對合成氨反應(yīng)速率影響的對比條件Ea/kJ·mol－1k(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700K)有催化劑167說明使用________可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。提高合成氨反應(yīng)速率和產(chǎn)率的條件條件速率分析平衡分析綜合結(jié)果壓強(qiáng)高壓高壓高壓溫度高溫低溫兼顧速率和平衡，且考慮催化劑活性催化劑使用無影響使用反應(yīng)物的濃度增大濃度增大濃度增大反應(yīng)物濃度，且不斷減少生成物濃度1．1913年德國化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當(dāng)時(shí)日益增長的人口對糧食的需求。下列所示是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④2．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理來解釋的是()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3．在容積相同的四個(gè)容器中，按下列要求充入各氣體，并加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，?73K時(shí)分別建立平衡，四種情況下H2的轉(zhuǎn)化率由大到小的順序是________。①1molN2＋3molH2②2molN2＋3molH2③1molN2＋4molH2④1molN2＋4molH2＋0.5molNH3二合成氨的適宜條件工業(yè)合成氨對各種外界條件選擇的理由1．壓強(qiáng)：________________Pa。理由：合成氨反應(yīng)是正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以________________________，又能使________________________，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。但是壓強(qiáng)越大，________________________________、_______________________，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。2．溫度：700K理由：(1)因?yàn)檎磻?yīng)方向是________的反應(yīng)，所以________________有利于平衡正向移動(dòng)。(2)但是溫度越低，________________越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越____，因此溫度也不宜太低。(3)催化劑要在一定溫度下________________最大。3．濃度：N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨應(yīng)及時(shí)從混合氣中分離出去理由：增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為________時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量之比為________時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨________________________出去；及時(shí)將氮?dú)夂蜌錃鈅_______________，使其保持一定的濃度。4．催化劑：鐵觸媒理由：經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速率要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。實(shí)際生產(chǎn)中選用以____為主體的多成分催化劑(鐵觸媒)，它在________時(shí)活性最高。合成氨的適宜條件外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)溫度適宜溫度，700K左右催化劑使用鐵觸媒做催化劑濃度N2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，氨及時(shí)從混合氣中分離出去4．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過程不能使平衡向右移動(dòng)的是()①不斷將NH3分離出來②使用催化劑③采用700K左右的高溫④采用2×107～3×107Pa的壓強(qiáng)A．①④B．②③C．①③D．②④5．Ⅰ.CO可用于合成甲醇，化學(xué)方程式為CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。該反應(yīng)ΔH________(填“>”或“<”)0。實(shí)際生產(chǎn)條件控制在250℃、1.3×104kPa左右，選擇此壓強(qiáng)的理由是_____________________________________________________________________________________________。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，再充入等量的N2和H2⑥恒溫恒壓，再充入等量的N2和H2⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3⑧使用催化劑A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．②③⑤⑧2．不能用化學(xué)平衡移動(dòng)原理說明的事實(shí)是()A．合成氨在高壓下進(jìn)行是有利的B．溫度過高對合成氨不利C．使用催化劑能使合成氨速率加快D．及時(shí)分離從合成塔中出來的混合氣，有利于合成氨3．某密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3(g)ΔH<0。下圖表示該反應(yīng)的速率(v)隨時(shí)間(t)變化的關(guān)系，t2、t3、t5時(shí)刻外界條件有所改變，但都沒有改變各物質(zhì)的初始加入量。下列說法中正確的是()A．t2時(shí)加入催化劑B．t3時(shí)降低了溫度C．t5時(shí)增大了壓強(qiáng)D．t4～t5時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率一定最低4．合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K值和溫度的關(guān)系如下：溫度/℃360440520K值0.0360.0100.0038(1)由上表數(shù)據(jù)可知該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，理由是_______________________________________________________________________________________________________。(2)某溫度下，體積一定的密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0①下列分析正確的是________(填字母)。a．平衡后，加入N2，該反應(yīng)的ΔH增大b．平衡后，加入催化劑，該反應(yīng)的ΔH不變c．平衡后，充入NH3，新平衡時(shí)，NH3的百分含量變大d．若反應(yīng)前充入的N2與H2物質(zhì)的量相等，達(dá)平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率比H2的高②理論上，為了增大平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率，可采取的措施是________(填字母)。a．縮小容器體積b．向容器中按原比例再充入N2和H2c．向容器中再充入惰性氣體d．使用合適的催化劑e．及時(shí)分離出產(chǎn)物中的NH3

答案精析一新知導(dǎo)學(xué)1．假設(shè)ΔH和ΔS不隨溫度變化，由ΔH－TΔS＝－92.2kJ·mol－1－T×(－198.2J·mol－1·K－1)/1000J·kJ－1<0，能自發(fā)，得T<465.2K。故298K下合成氨反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。2．合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)有①可逆反應(yīng)；②常溫下的自發(fā)的反應(yīng)；③正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減?。虎苷磻?yīng)是放熱反應(yīng)。降低溫度、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，且N2、H2體積比為1∶3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。3．①正比正比反比②N2、H2(3)催化劑活學(xué)活用1．B2.B3．②＞①＞③＞④解析②是在①中增加N2，故H2的轉(zhuǎn)化率增大，即②＞①。③是在①中增加H2，故H2的轉(zhuǎn)化率減小，即①＞③。而④是在③基礎(chǔ)上增加氨，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，H2的轉(zhuǎn)化率變小，故③＞④。由此可知H2的轉(zhuǎn)化率由大到小的順序?yàn)棰冢劲伲劲郏劲?。二新知?dǎo)學(xué)1．2×107～3×107增大反應(yīng)速率平衡正向移動(dòng)對設(shè)備的要求越高壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力越大2．放熱降低溫度(2)反應(yīng)速率長(3)催化活性3．1∶31∶2.8冷卻液化分離循環(huán)利用4．鐵700K活學(xué)活用4．B5．<在250℃、1.3×104kPa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CO轉(zhuǎn)化率的影響來看，在題給壓強(qiáng)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)檢測提升技能1．C2.C3．A[合成氨反應(yīng)前后氣體系數(shù)減小，t2后反應(yīng)速率增大，但平衡沒有移動(dòng)，說明t2時(shí)刻改變的條件是加入了催化劑，化學(xué)平衡不移動(dòng)；t3時(shí)刻應(yīng)是減小壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向左移動(dòng)；t5時(shí)刻應(yīng)是升高溫度，化學(xué)平衡向左移動(dòng)；所以t6以后轉(zhuǎn)化率最低。]4．(1)隨溫度升高，反應(yīng)的平衡常數(shù)K減小(2)①bc②abe解析(1)由表可知，升高溫度，K值減小，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。(2)①ΔH與反應(yīng)物N2的量無關(guān)，ΔH是表示1molN2和3molH2完全反應(yīng)時(shí)的焓變，故平衡后再加入N2，該反應(yīng)的ΔH