《化学反应条件的优化-工业合成氨》参考课件1

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨知识铺垫必备知识正误判断合成氨反应的发明有什么意义?实验合成氨工业化生产需注意什么?

提示: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,必须从反应速率和反应限度两个方面选择合适的反应条件。知识铺垫必备知识正误判断一、合成氨反应的限度1.合成氨反应的特点合成氨反应是一个可逆反应,化学方程式为

。在298K时ΔH=-92.2kJ·mol-1,ΔS=-198.2J·K-1·mol-1,该反应是一个

反应,同时又是一个熵

的反应。

2.合成氨的自发性在298K时,合成氨是

进行的反应。

3.合成氨反应的限度

、

将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的体积比为

时平衡混合物中氨的含量最高。

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)放热

减小自发降低温度增大压强1∶3知识铺垫必备知识正误判断【微思考】已知298K时,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1,ΔS=-198.2J·K-1·mol-1,请通过计算说明298K时合成氨反应能否自发进行?提示:ΔH-TΔS=-92.2×103J·mol-1-298K×(-198.2J·K-1·mol-1)=-92.2×103J·mol-1+59063.6J·mol-1=-33136.4J·mol-1<0,即298K时合成氨反应能自发进行。知识铺垫必备知识正误判断二、合成氨反应的速率1.浓度对合成氨反应速率的影响由v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)知,合成氨反应的速率与氮气浓度的

次方成正比,与氢气浓度的

次方成正比,与氨气浓度的

次方成反比。在反应过程中,随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐

,因此为了保证足够高的反应速率,应该适时将氨从混合物中分离出来。

2.催化剂对反应速率的影响加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的

,从而增大

。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

3.温度温度

,合成氨反应进行得越快。

11.51降低活化能反应速率越高知识铺垫必备知识正误判断三、合成氨生产的适宜条件1.合成氨反应条件的选择工业生产中,必须从

和

两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的

,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的

,同时还要考虑设备的要求和技术条件。

2.合成氨的适宜条件

反应速率反应限度转化率产量知识铺垫必备知识正误判断判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率和平衡转化率。(

)(2)高压比常压条件更有利于合成氨的反应。(

)(3)500℃左右比室温更有利于合成氨的反应,提高H2的平衡转化率。(

)(4)合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率。(

)(5)合成氨采用2×107~5×107Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高。(

)(6)合成氨工业采用高压,不仅能提高转化率,还能缩短到达平衡的时间。(

)×√×√×√探究素养脉络随堂检测生产中选择适宜生产条件的思路问题探究利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。1909年,德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5~20MPa和500~600℃下直接合成,反应器出口仅仅得到6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢?

提示:最关心的问题应是如何提高单位时间内的产量以及原料的利用率。探究素养脉络随堂检测深化拓展1.合成氨最佳条件的分析与选择(1)温度:升高温度有利于提高反应速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化剂都有一个适宜的使用温度。合成氨工业上一般采用700K左右的温度。此温度催化剂活性最强。(2)压强:增大压强,有利于提高反应速率,也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但压强越大,对设备材料、技术的要求就越高,生产成本也越高,综合考虑,工业上采用的压强一般为1×107~1×108Pa。探究素养脉络随堂检测(3)浓度:理论上n(N2)∶n(H2)=1∶3时,平衡转化率最高,但实验表明当n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时更有利于氨的合成。工业上通常采用1∶2.8的比例投料,并且及时地分离出NH3,促使平衡正向移动。(4)催化剂:催化剂不影响化学平衡,但能极大地加快反应速率,工业上一般采用铁触媒做合成氨的催化剂。2.工业生产中选择适宜生产条件的思路(1)从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。(2)根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和化学平衡的影响;从反应速率和化学平衡的角度进行综合分析,再充分考虑实际情况,选出适宜的外界条件。探究素养脉络随堂检测素能应用典例合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。(1)下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是

。

A.使用铁作为催化剂有利于合成氨的反应B.高压比常压更有利于合成氨的反应C.700K左右比室温更有利于合成氨的反应D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应探究素养脉络随堂检测(2)已知工业合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.2kJ·mol-1。①一定温度下,在容积恒定的密闭容器中,一定量的N2和H2反应达到平衡后,改变某一外界条件,反应速率与时间的关系如图所示,其中t2、t4、t7时刻所对应的实验条件改变分别是t2

,t4

,t7

。

②温度为T

℃时,将2amolH2和amolN2放入0.5L密闭容器中,充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%,此时放出热量46.1kJ,则该温度下反应的平衡常数为

。

探究素养脉络随堂检测答案:(1)AC(2)①增大N2或H2的浓度加入催化剂降温②4.0(mol·L-1)-2解析:(1)使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,即正、逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,只是可以缩短达到平衡所需的时间,不能用平衡移动原理来解释。由于合成氨反应的正反应是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应,低温虽然可以提高氨气的产量,但是反应速率太慢,而温度太高虽能加快反应速率,但却使平衡混合物中氨气的含量降低,因此工业生产一般采用适宜的温度,既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量。700K左右催化剂的活性最高,因此不能用平衡移动原理来解释。将生成物氨气液化分离,降低了生成物的浓度,将使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。探究素养脉络随堂检测(2)①t2时刻正反应速率瞬间加快,逆反应速率瞬间未变化,平衡正向移动,应是增大了反应物的浓度;t4时刻反应速率加快,但平衡未发生移动,应是加入了催化剂;t7时刻正、逆反应速率都瞬间减慢后平衡正向移动,应是降低了温度。探究素养脉络随堂检测②根据“三段式”计算:平衡时放出热量为46.1kJ,则平衡时N2转化了0.5mol,0.5amol=0.5mol,则a=1.0。探究素养脉络随堂检测规律方法合成氨条件的优化

探究素养脉络随堂检测变式训练哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1molN2和3molH2,在一定条件下使该反应发生。下列有关说法正确的是(

)A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零答案:C

解析:在密闭容器中进行的任何可逆反应不可能进行到底,因此,达到化学平衡时,氮气不可能完全转化为氨气,A错;当正反应速率和逆反应速率相等(不为零)时,反应达到平衡,此时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化,但不能认为N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等。探究素养脉络随堂检测探究素养脉络随堂检测1.合成氨时采用700K左右的温度进行,主要是因为在该温度时(

)A.合成氨的化学反应速率最大B.N2的转化率最高C.催化剂的活性最大D.NH3在平衡混合气体中的体积分数最大答案:C

解析:当压强一定、温度升高时,虽然能增大合成氨的反应速率,但由于合成氨反应是放热反应,升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。因此,从反应的理想条件来看,氨的合成反应在较低温度下进行有利,但是温度过低,反应速率很小,需要很长的时间才能达到平衡状态,这在工业生产上是很不经济的。催化剂铁在700K左右时的活性最大,这是合成氨反应一般选择在700K左右进行的重要原因之一。探究素养脉络随堂检测2.工业合成氨的正反应是放热反应,下列关于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的图像中,错误的是(

)探究素养脉络随堂检测答案:C

解析:合成氨反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但逆反应速率增大的程度大,A正确;在T1时w(NH3)最大,达到平衡,再升高温度,平衡逆向移动,w(NH3)缩小,B正确;低温时达到平衡,w(NH3)大,C错误;增大压强,平衡向右移动,w(NH3)增大,D正确。探究素养脉络随堂检测3.有关合成氨工业的下列说法正确的是(

)A.从合成塔出来的混合气体,NH3的含量较小,所以生产氨的工厂的效率都很低B.由于氨可液化分离出来,N2、H2在实际生产中循环使用,所以总体来说氨的产率较高C.合成氨工业的反应温度一般控制在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是2×107~3×107Pa,因在该压强下铁催化剂的活性最大探究素养脉络随堂检测答案:B

解析:合成氨工业中从合成塔出来的混合气体中NH3的含量较小,但由于分离出NH3后,N2和H2可循环使用,所以总体来说氨的产率是较高的,则A项错误,B项正确;合成氨工业的反应温度控制在700K左右而不选择常温,是为了加快反应速率,且催化剂在700K时催化活性最高,C项错误;合成氨的反应为气态物质系数减小的反应,增大压强主要是为了使平衡向正反应方向移动,与催化剂活性无关,D项错误。探究素养脉络随堂检测4.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H2

⑥恒温恒压,再充入等量的N2和H2

⑦及时分离产生的NH3

⑧使用正催化剂A.①④⑤⑦ B.②③④⑦⑧C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧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、及时分离产生的NH3均可以,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、使用正催化剂都可以,因此符合要求的是②⑤。探究素养脉络随堂检测5.工业合成氨[N2(g)+3H2