学案化学反应条件的优化-工业合成氨

11/11化学反应条件的优化——工业合成氨【学时安排】2学时【第一学时】【学习内容】合成氨反应的限度、合成氨反应的速率。【学习目标】1．通过对合成氨反应特点的分析，了解提高合成氨反应限度的措施。2．能够利用学过知识和所给信息，通过交流研讨，了解提高合成氨反应速率的措施。【学习重点】提高合成氨反应限度和速率的措施。【学习难点】了解提高合成氨反应速率的措施。【学习过程】课前复习1．影响化学反应速率的因素有哪些？如何影响的？2．影响化学反应限度的因素有哪些？如何影响的？【材料阅读】合成氨的发明者——天使与魔鬼的化身弗里茨·哈伯（FritzHaber，1868年12月9日～1934年1月29日），德国化学家，出生在德国西里西亚布雷斯劳（现为波兰的弗罗茨瓦夫）的一个犹太人家庭。1909年，成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。一战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。【思考】合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产，须从哪些方面选择合成氨的反应条件？【问题探究】一、合成氨反应的限度根据教材所给信息，请与同学们交流研讨∶根据反应的焓变和熵变分析298K下氨的合成反应能否正向自发进行。利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。结论：1．氨合成反应是在298K时能的放热反应，且为气体的物质的量减小的熵反应。2．有利于提高合成氨反应限度的方法有：、、。二、合成氨反应的速率【交流研讨】1．可以通过控制哪些反应条件来提高氨的合成反应的速率？2．实验研究表明，在特定条件下，氨的合成反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为：v=kc(N2)c1．5(H2)c-1(NH3)。根据该关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？3．根据表2-4-1所给数据分析催化剂对氨的合成反应速率的影响。结论：1．提高合成氨反应速率的措施：、、。2．各物质浓度对反应速率的影响：氨的合成反应的速率与浓度的1次方成正比，与浓度的1.5次方成正比，与浓度的1次方成反比。将从混合气中分离出去，可以提高合成氨的反应速率。3．催化剂对合成氨反应速率的影响：使用催化剂可以使合成氨反应的速率上万亿倍。【学习小结】1．提高合成氨反应限度的措施：2．提高合成氨反应速度的措施：检测反馈1．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是（）A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是（）A．高温 B．高压C．使用催化剂 D．增大N2的浓度3．在合成氨时，既要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有（）①增大体积使压强减小②减小体积使压强增大③升高温度④降低温度⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2⑦使用合适的催化剂A．①④⑤ B．②③④⑦C．②⑤ D．②③⑤⑥⑦4．在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v＝kc(N2)c1．5(H2)c－1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是()A．加入催化剂 B．增大H2的浓度C．升高温度 D．增大NH3的浓度5．可逆反应N2(g)＋3H2(g)  2NH3(g)ΔH<0，达到平衡后，下列选项中采用的三种方法都能使氢气的转化率增大的是（）A．升高温度、降低压强、增加氮气B．降低温度、增大压强、加入催化剂C．升高温度、增大压强、增加氮气D．降低温度、增大压强、分离出部分氨气6．在N2＋3H2  2NH3反应中，使用催化剂主要是为了（）A．提高反应物的转化率B．促使该反应发生C．使化学反应速率增大D．抑制逆反应的发生7．对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（）①高温②低温③低压④高压⑤催化剂⑥加氨⑦除氨A．②④⑤B．②④⑦C．①④⑤D．②③⑥8．在一定条件下，可逆反应N2＋3H22NH3ΔH<0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（）A．加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等B．加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数C．降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数D．加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数9．在一定条件下，2NH33H2＋N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（）A．1：1B．2：3C．3：2D．2：1检测反馈答案【答案】C【解析】对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。2．【答案】B【解析】为提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会降低。3．【答案】C【解析】要使氨的产率增大，平衡右移，增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度均可；要使化学反应速率增大，增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用合适的催化剂，因此符合要求的是②⑤。4．【答案】D【解析】加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度反应速率减慢。5．【答案】D【解析】要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故选D．6．【答案】C【解析】催化剂能极大地加快反应速率，绝大多数化工生产工艺都要用催化剂。【答案】B【解析】合成氨工业利用N2＋3H22NH3ΔH<0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。故综上所述有②④⑦。8．【答案】CD【解析】催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应ΔH<0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。故C、D均不正确。9．【答案】B【解析】2NH33H2＋N2起始量x00转化量50%x0.75x0.25x平衡量0.5x0.75x0.25x反应前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反应后与反应前密度之比等于物质的量的反比，即为。【第二学时】【学习内容】合成氨生产的适宜条件。【学习目标】通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。【学习重点】合成氨适宜条件的选择。【学习难点】认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。【学习过程】课前预习1．如何提高合成氨反应的限度？2．如何提高合成氨反应的速率？【问题探究】三、合成氨生产的适宜条件请与同学们交流研讨∶1．根据氨的合成反应的特点，应分别采取什么措施提高该反应的平衡转化率和反应速率？将有关建议填入表格中。提高反应的转化率提高反应速率性质措施性质措施放热活化能高分子数减小低温时反应速率低反应可逆原料气浓度增大能提高反应速率氨气浓度增加能降低反应速率2．尝试为合成氨生产选择适宜条件。3．在确定合成氨生产的适宜条件的过程中，遇到了哪些问题？是怎样解决的？4．为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？【自主学习】请同学们结合以下问题阅读教材相关内容，归纳总结出工业实际生产中是如何选择条件的，原因分别是什么？问题1：压强怎么选？既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？结论：。问题2：温度怎么选？既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？结论：。问题3：要不要用催化剂？催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？结论：。问题4：浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？在氮气和氢气的物质的量之比为1：3时平衡转化率最高。提高氢气的压强似乎更有利于提高合成氨反应的速率，但是，氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即这是影响反应速率的关键步骤。结论：。【总结】外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度【思考】在实际生产中化工生产适宜条件选择的一般原则是什么？【总结】条件原则从化学反应速率分析从化学反应限度分析从原料的利用率分析从实际生产能力分析从催化剂的使用活性分析【学习小结】检测反馈1．有关合成氨工业的说法中，正确的是（）A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂效率都很低B．由于氨易液化，N2．H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C．合成氨工业的反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．合成氨厂采用的压强是20～50Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最大2．可逆反应3H2(g)+N2(g)  2NH3(g)；△H＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是（）A．升高温度，降低压强，增加氮气B．降低温度，增大压强，加入催化剂C．升高温度，增大压强，增加氮气D．降低温度，增大压强，分离出部分氨3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是（）A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨反应C．700K左右比室温更有利于合成氨反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率4．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是（）A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高C．合成氨工业的反应温度控制在700K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件5．德国哈伯发明以低成本制造大量氨的方法，流程图中为提高原料转化率而采取的措施是（）A．①②③ B．②④⑤C．①③⑤ D．②③④6．下列有关合成氨工业的说法中正确的是（）A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D．合成氨采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁催化剂的活性最高7．工业上合成氨一般采用700K左右的温度，其原因是（）①适当提高氨的合成速率②提高H2的转化率③提高氨的产率④催化剂在700K时活性最大A．① B．①②C．②③④ D．①④8．在N2＋3H2eq\o(,\s\up7(一定条件))2NH3反应中，使用催化剂主要是为了（）A．提高反应物的转化率 B．促使该反应发生C．使化学反应速率增大 D．抑制逆反应的发生检测反馈答案1．【答案】B【解析】本题主要是理解合成氨的过程，以及温度、浓度、催化剂等对该反应的影响，不难选出答案。2．【答案】D【解析】本题要求增加合成氨反应中氢气的转化率，就是在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，使更多的氢气转化为氨。从化学平衡分析也就是向正反应方向移动。先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的。合成氨反应前后都是气体物质，反应前气体体积比反应后气体体积更大，所以增加压强会使平衡向着气体体积减小的方向进行，即向正反应方向移动，选项A是错误的，其他选项中增大压强是正确的。有关浓度的影响，增加反应物浓度或减小生成物浓度，会使平衡向着正反应方向移动，在合成氨反应中即是增加氮气和减少（分离出）氨是正确的选项。加入催化剂可加速反应的进行，但对平衡移动无影响，选项B是错误的。所以只有选项D是正确的。3．【答案】B【解析】催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用