合成氨工业化学平衡原理的应用

合成氨工业化学平衡原理的应用第1页/共29页一、合成氨条件的选择问题1：请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并说明这个反应有什么特点？N2+3H22NH3特点：

a、可逆反应b、正反应放热c、正反应是气体体积减小的反应。问题2：请同学们分析工业生产主要要考虑哪些问题？首要：经济效益与社会效益基本要求：a、单位时间内产量高

b、原料利用率高反应速率问题化学平衡问题第2页/共29页问题3：根据以上要求，分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的合适条件。

填表高温高压使用高压低温无影响第3页/共29页一、合成氨条件的选择使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择合适的温度：500℃左右，该温度是合成氨催化剂的活性温度；选择合适的压强：20MPa~50MPa，该压强下进行生产，对动力、材料、设备等来说正合适。合成氨的适宜条件

实际生产中，还需将生成的NH3及时分离出来，并不断向体系中补充N2、H2以增加反应物浓度，使平衡向合成氨的方向进行。第4页/共29页

已知：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)+Q，2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)+Q回答下列问题：（1）从影响速率和平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是＿＿＿＿＿＿＿。实际生产中采取的措施分别是中＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（2）在实际生产的合成氨过程中，要分离出氨气，目的是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；而合成SO3过程中，不需要分离出SO3，原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。高温高压催化剂合成氨：高温、高压、催化剂；合成SO3：高温、常压、催化剂。减少生成物浓度，使平衡向生成NH3方向移动该反应向生成SO3的方向进行程度大，达到平衡后SO2余量较少，故不需要分离SO3思考1：第5页/共29页

合成氨工业中，原料气（N2、H2及少量CO、NH3的混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜（I）溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3

[Cu(NH3)3]Ac·CO+Q（1）必须除去原料气中CO的原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（2）醋酸二氨合铜（I）吸收CO的生产适宜条件应是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（3）吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生的生产适宜条件应是___________。除CO的原因是防止合成塔中的催化剂中毒吸收CO的适宜条件应选择：低温、高压；高温低压。思考2：第6页/共29页

思考3：有平衡体系CO(g)+2H2(g)

CH3OH(g)+Q，为了增加甲醇的产量，工厂应采取的正确措施是（）A、高温高压

B、适宜温度高压催化剂C、低温低压D、低温高压催化剂B第7页/共29页[典型例题分析]例1、氯化铜溶液为淡蓝色，当加入浓盐酸后，溶液就会变成黄绿色，这种颜色变化是由下列可逆反应引起的：[Cu(H2O)4]2++4Cl-

[CuCl4]2-+4H2O下列方法能使溶液变成淡蓝色的是（）A、加蒸馏水B、加AgNO3溶液C、加NaCl溶液D、加盐酸AB第8页/共29页

例2、在氯化铁溶液中加入难溶于水的碳酸钙粉末，观察到碳酸钙逐渐溶解，产生无色气体和红褐色沉淀，试解释观察到的现象。解析：FeCl3在溶液中能发生水解。Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+（建立平衡），加入CaCO3时，它能与H+反应，放出CO2气体，并使H+浓度减少（条件改变），使平衡向正反应方向移动（平衡移动），生成的Fe(OH)3不断增加，从而产生红褐色沉淀（产生结果）。第9页/共29页

例3、BiCl3水解生成BiOCl（BiOCl难溶于水).（1）BiCl3水解的反应方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（2）医药上把BiOCl叫做次氯酸铋，分析这种名称是否合理：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（3）把适量BiCl3溶于浓NaCl溶液中或溶于含有少量盐酸的水中能得到澄清溶液，试用平衡移动原理分析可能的原因：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

BiCl3+H2OBiOCl+2HCl不合理；因为BiOCl中，Cl的化合价为-1价浓NaCl溶液中，Cl-抑制BiCl3的溶解，使Bi3+的浓度减少；盐酸抑制Bi3+的水解第10页/共29页

例4、近年来，某些自来水厂在用液氯进行消毒处理时还加入少量液氨，其反应的化学方程式为NH3+HClOH2O+NH2Cl（一氯氨），NH2Cl较HClO稳定，试分析加液氨能延长液氯杀菌时间的原因?解析：液氨与次氯酸反应生成较HClO稳定的NH2Cl后，不影响HClO的杀菌效率，且由于反应可逆，随HClO消耗，平衡逆向移动，从而延长HClO杀菌时间。第11页/共29页四、化学平衡的有关计算—程序法1、建立解题程序模式

mA(g)+nB(g)=pC(g)+qD(g)起始浓度转化浓度平衡浓度2、确定关系(1)确定转化浓度是解题的关键

(2)反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓

(3)(4)混合气体的平均分子量

数值之比等于方程式中相应物质系数之比。3、依照题意，列式求解解题的突破点：[由方程式系数求出]n平(生成物)=n转(生成物)n转(反应物)n平(反应物)第12页/共29页1、在一定温度、压强和有催化剂存在条件下，将N2和H2按1：3的体积比混合，当反应达平衡时，混合气中含有mmol的NH3，且NH3的体积分数量为a%，求起始时N2、H2的物质的量。设起始状态N2为xmol，则H2为3xmol

N2＋3H2

2NH3起始物质的量(mol)x3x0转化物质的量(mol)m/23m/2m平衡物质的量(mol)

m由题给条件知a%=第13页/共29页2.将等物质的量的A，B混合于2L的密闭容器中，发生反应3A（气）＋B（气）

xC（气）＋2D（气）经5min后达到平衡时，测知D的浓度为0.5mol/L，[A]：[B]=3：5，C的平均反应速率为0.1mol/L·min。试求（1）A的平衡浓度是多少？（2）B的平均反应速率？（3）x＝？设A的起始浓度为xmol/L；B的平均反应速度为VB。

3A(气)＋B(气)xC(气)＋2D(气)起始浓度(mol/L)xx00转化浓度(mol/L)0.750.250.5平衡浓度(mol/L)0.1×50.5（1）由(x-0.75):(x-0.25)=3:5，得x=1.5(mol/L)；∴A的平衡浓度为1.5-0.75=0.75mol/L根据化学反应速率与反应方程式系数成比例的规律,不难得到（2)VB=VD/5=0.05mol/(L·min)；（3）VC=VD，∴x=2。x-0.75x-0.25第14页/共29页3、合成氨的反应在一定条件下达到平衡，测得体系中NH3为4mol，起始与平衡时的压强之比为13：8，且[H2]始：[H2]平＝4：1，求N2和H2的转化率。解：设N2、H2的起始物质的量分别为x、yN2+3H2

2NH3

总量始xy0x+y

变264

平x-2y-64x+y-4∴N2的转化率×100%=83.3%H2的转化率第15页/共29页4、1体积SO2和3体积空气混合后在450℃以上通过V2O5催化剂发生反应。若同温同压下测得反应前后混合气体的密度比为0.9：1，求SO2的转化率。

分析：体积与密度为反比关系，反应前后气体的密度比为0.9：1，则前后体积比为1：0.9，即气体总体积减少了10%（0.4体积）。这样就将已知的密度比转换成了气体体积差量，利用差量法进行计算：2SO2+O2=2SO3△V21x0.4X=0.8，即SO2的转化率为80%第16页/共29页5、接触法制硫酸中，焙烧黄铁矿所得气体含N278%、O211%、SO27%、CO24%，进入接触室后反应，气体体积变为原来的96.7%，求SO2的转化率及反应后O2和N2的体积比？

差量法2SO2+O2

2SO3△V21

1xy

1-96.7%转化的SO2：X=6.6%转化的O2:

y=3.3%SO2的转化率为vN2∶vO2=780∶77第17页/共29页6、某可逆反应A(气)＋B(气)C(气)，在两个完全相同密闭容器中分别加入A、B各1摩，第一个容器温度为400℃，达到平衡时压强为原来的75%，第二个容器温度为600℃，达到平衡时A的体积百分含量为25%，通过计算推断该反应的正反应是吸热反应还是放热反应？

400℃时，设A的转化率为xA(气)+B(气

C(气)起始110转化xxx平衡1-x1-xx平衡时混合气体总物质的量是:2-x所以有x=50%达平衡时A的体积百分含量为50%600℃达平衡时，A的体积百分含量为25%,说明升高温度时,平衡向正反应方向移动,所以该反应的正反应是吸热反应。第18页/共29页7、一定条件下,在容积为2L的密闭容器里加入一定物质的量A,发生如下反应并建立平衡:

A(g)2B(g),2B(g)C(g)+2D(g)

测得平衡时各物质的量浓度是:[A]=0.3mol/L,[B]=0.2mol/L,[C]=0.05mol/L.最初向容器里加入A的物质的量是()

A.0.5molB.0.8mol

C.0.9molD.1.2mol

C第19页/共29页8、在一个x升的密闭容器中放入y升的A(气)和z升的B(气)，在一定条件下发生下列反应：3A(气)+B(气)

nC(气)+2D(气)。这平衡后，A的浓度减少1/2，混合气的平均相对分子质量比原气体增大1/8。式中n值(正整数)为_____19、在一定温度和压强下，将平均分子相对质量为8.5的N2和H2的混合气体，充入密闭容器中反应，达到平衡后，混合气体的平均分子的相对质量为10.0，则N2的转化率为____。30%第20页/共29页计算技巧：

1、差量法：例1、在一个固定体积的密闭容器中，放入2molX和3molY，在一定条件下反应：4X(气)+3Y(气)2Q(气)+nR(气)达到平衡后，容器内温度不变，容器内压强比原来增加5%，X的浓度减小1/3，则反应方程中的n值为（）

A、5B、3C、6D、2

练习1、将气体A放入密闭容器中，在一定温度时反应：2A(气)

B(气)+nC(气)达到平衡时，压强增大m%，测得A的转化率也为m%，则n的值为（）

A、1B、2C、3D、4CC第21页/共29页2、极限法：例2、在一定温度下的密闭容器中加入CO和H2O（气）各1mol当反应CO+H2O（气）

CO2+H2达到平衡时生成0.5mol的CO2，若其它条件不变，再充入8molH2O（气）重新达到平衡时CO2的物质的量为（）

A、0.5molB、0.93molC、1molD、1.5mol

练习2、在一密闭容器中，用等物质的量的A和B发生如下反应：A（气）+2B（气）

2C（气）反应达到平衡时，若混合气体中A和B的物质的量之和与C的物质的量相等，则这时A的转化率为：（）

A、40%B、50%C、60%D、70%BA第22页/共29页练习3：已知：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；△H=-92.3KJ/mol现将1molN2与足量H2在一定条件下充分反应，放出的热量————92.3KJ(填“＜”、“=”、“＞”)；简述理由———————————————。＜上述反应为可逆反应，1molN2不可能全部转化，故放出的热量小于92.3KJ第23页/共29页3、守恒法：例3、将1molA、2molB的混合物132g在密闭容器中反应：A（气）+2B（气）

2C（气）+2D（气）达到平衡后，测得A的转化率为30%，则平衡时混合气体的平均分子量为（）

A、44B、48C、40D、52

练习3、在体积为20L的真空密闭容器中，充入0.1molH2和0.2molI2（气），T1温度下发生反应：H2(g)+I2(g)2HI(g)+热量测得平衡时H2的转化率为50%，再升温到T2，平衡发生移动并达到新的平衡，测得HI的平衡浓度为T1时的一半，整个过程体积不变，则T2时平衡混合物的密度为（）g/LA、2.12B、2.55C、3.06D、3.18CB第24页/共29页谢谢第25页/共29页例6、牙齿表面由一层坚硬的、组成为Ca5(PO4)3OH的物质保护着，它在唾液中存在下列平衡：Ca5(PO4)3OH(固)5Ca2++3PO43-+OH-，进食后，细菌和酶作用于食物，产生有机酸，这时牙齿就会受到腐蚀，其原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，已知Ca5(PO4)3F(固)的溶解度比上面矿化产物更小，质地更坚固。请用离子方程式表示当牙膏中配有氟化物添加剂后