高中化学化学反应原理学案24化学反应条件的优化工业合成氨

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨[学习目标定位]1.应用化学反应速率和化学平衡原理，会选择合成氨的适宜条件。2.体会应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。一合成氨反应的限度、速率1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？2．利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？3．外界因素对反应速率的影响分析。(1)升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂来提高合成氨反应的速率。(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，根据关系式分析：①各物质的浓度对反应速率的影响：合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成________，与氢气浓度的1.5次方成________，与氨气浓度的1次方成________。②可以采取增大________浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比条件Ea/kJ·mol－1k(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700K)有催化剂167说明使用________可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。提高合成氨反应速率和产率的条件条件速率分析平衡分析综合结果压强高压高压高压温度高温低温兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性催化剂使用无影响使用反应物的浓度增大浓度增大浓度增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④2．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是()A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率3．在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在673K时分别建立平衡，四种情况下H2的转化率由大到小的顺序是________。①1molN2＋3molH2②2molN2＋3molH2③1molN2＋4molH2④1molN2＋4molH2＋0.5molNH3二合成氨的适宜条件工业合成氨对各种外界条件选择的理由1．压强：________________Pa。理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以________________________，又能使________________________，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，________________________________、_______________________，因此选择压强应符合实际科学技术。2．温度：700K理由：(1)因为正反应方向是________的反应，所以________________有利于平衡正向移动。(2)但是温度越低，________________越小，达到平衡所需要的时间越____，因此温度也不宜太低。(3)催化剂要在一定温度下________________最大。3．浓度：N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨应及时从混合气中分离出去理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为________时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为________时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨________________________出去；及时将氮气和氢气________________，使其保持一定的浓度。4．催化剂：铁触媒理由：经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用以____为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在________时活性最高。合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强温度适宜温度，700K左右催化剂使用铁触媒做催化剂浓度N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去4．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是()①不断将NH3分离出来②使用催化剂③采用700K左右的高温④采用2×107～3×107Pa的压强A．①④B．②③C．①③D．②④5．Ⅰ.CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是_____________________________________________________________________________________________。1．在合成氨时，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及时分离产生的NH3⑧使用催化剂A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．②③⑤⑧2．不能用化学平衡移动原理说明的事实是()A．合成氨在高压下进行是有利的B．温度过高对合成氨不利C．使用催化剂能使合成氨速率加快D．及时分离从合成塔中出来的混合气，有利于合成氨3．某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3(g)ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是()A．t2时加入催化剂B．t3时降低了温度C．t5时增大了压强D．t4～t5时间内转化率一定最低4．合成氨反应的平衡常数K值和温度的关系如下：温度/℃360440520K值0.0360.0100.0038(1)由上表数据可知该反应为放热反应，理由是_______________________________________________________________________________________________________。(2)某温度下，体积一定的密闭容器中进行反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0①下列分析正确的是________(填字母)。a．平衡后，加入N2，该反应的ΔH增大b．平衡后，加入催化剂，该反应的ΔH不变c．平衡后，充入NH3，新平衡时，NH3的百分含量变大d．若反应前充入的N2与H2物质的量相等，达平衡时N2的转化率比H2的高②理论上，为了增大平衡时H2的转化率，可采取的措施是________(填字母)。a．缩小容器体积b．向容器中按原比例再充入N2和H2c．向容器中再充入惰性气体d．使用合适的催化剂e．及时分离出产物中的NH3

答案精析一新知导学1．假设ΔH和ΔS不随温度变化，由ΔH－TΔS＝－92.2kJ·mol－1－T×(－198.2J·mol－1·K－1)/1000J·kJ－1<0，能自发，得T<465.2K。故298K下合成氨反应能自发进行。2．合成氨反应的特点有①可逆反应；②常温下的自发的反应；③正反应气态物质系数减小；④正反应是放热反应。降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，且N2、H2体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。3．①正比正比反比②N2、H2(3)催化剂活学活用1．B2.B3．②＞①＞③＞④解析②是在①中增加N2，故H2的转化率增大，即②＞①。③是在①中增加H2，故H2的转化率减小，即①＞③。而④是在③基础上增加氨，平衡向逆反应方向移动，H2的转化率变小，故③＞④。由此可知H2的转化率由大到小的顺序为②＞①＞③＞④。二新知导学1．2×107～3×107增大反应速率平衡正向移动对设备的要求越高压缩H2和N2所需要的动力越大2．放热降低温度(2)反应速率长(3)催化活性3．1∶31∶2.8冷却液化分离循环利用4．铁700K活学活用4．B5．<在250℃、1.3×104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低解析从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在题给压强下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。达标检测提升技能1．C2.C3．A[合成氨反应前后气体系数减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动；t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。]4．(1)随温度升高，反应的平衡常数K减小(2)①bc②abe解析(1)由表可知，升高温度，K值减小，该反应为放热反应。(2)①ΔH与反应物N2的量无关，ΔH是表示1molN2和3molH2完全反应时的焓变，故平衡后再加入N2，该反应的ΔH