江苏省邳州市第二中学高中化学《2.4 化学反应条件的优化工业合成氨》课件 鲁科版选修4.ppt

1、第四节化学反应条件的优化工业合成氨,学习目标 1.认识合成氨的化学原理。 2应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。 3了解合成氨生产的主要流程。 4了解工业条件选择的依据和原则。,课堂互动讲练,探究整合应用,知能优化训练,第四节化学反应条件的优化工业合成氨,课前自主学案,课前自主学案,一、合成氨反应的限度 1合成氨的化学原理及特点 (1)反应原理：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H92.2 kJmol1S(298 K)198.2 JK1mol1 (2)化学反应的特点 该反应是一个能自发进行的、_热的、气体体积_的可逆反应。,放,减小,2合成氨反应的限度分析 _温度、_压强

2、将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为_时，平衡混合物中氨的含量最高。,降低,增大,13,二、合成氨反应的速率 增大_，使用合理_，升高_均可增大合成氨反应的反应速率。 三、合成氨的适宜条件 1合成氨反应条件的选择原则 (1)尽量增大反应物的_，充分利用原料； (2)选择较快的_，提高单位时间内的产量； (3)考虑设备和技术条件。,反应物浓度,催化剂,温度,转化率,反应速率,2合成氨反应的适宜条件 (1)压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为_、_和_三种类型。 (2)温度 温度越高

3、，反应速率_，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在_K左右(且在此温度时催化剂的活性_)。,低压,中压,高压,越大,700,最大,(3)催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择_做催化剂。 (4)浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为12.8的投料比，及时将氨气从反应混合物中分离出去。此外，还应考虑原料的_、未转化的合成气的_使用、_的综合利用等问题。,铁,价格,循环,反应热,问题探究 1合成氨工业生产中，为什么采用N2和H2物质的量之比为12.8的投料比？ 【提示】由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤，应适当提高

4、氮气的比例，即N2和H2物质的量之比为12.8时，更能加快合成氨反应的进行。,2合成氨工业生产中，为什么采用未转化的合成气的循环使用？ 【提示】合成氨反应中，如果让N2和H2的混合气体只通过一次合成塔起反应是很不经济的，应将分离液氨后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。,自主体验 1合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义，原合成氨需要20MPa、700 K，用铁做催化剂，最近美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为transFe(DMeOPrPE)2的催化剂，常温下用N2和H2合成了氨。下列有关说法正确的是(),A原合成氨是吸热

5、反应，而新法合成氨为放热反应 B新法合成比原合成节约能源，具有很好的发展前景 C新法能在常温下进行是因为不需要破坏化学键 D加压不利于新法合成氨 解析：选B。无论哪个方法均用到反应N23H2 2NH3，该反应为放热反应，加压均有利，在反应过程中均存在旧键断开、新键形成。,2使一定量的氮气、氢气合成氨，施加催化剂和高压的反应条件，下列叙述中正确的是() A都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B都对化学平衡状态有影响，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，只有压强对化学平衡状态有影响 D催化剂能缩短达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用,解析：选C。催化剂只能提高

6、化学反应速率，缩短反应达到平衡状态所用的时间，不能改变化学平衡状态。对氮气、氢气合成氨的反应来说，加压既能加快化学反应速率，又能使平衡状态向生成氨的反应方向移动。加快了化学反应速率，必然缩短了反应达到平衡所用的时间。,3从化学反应速率和化学平衡两方面考虑，合成氨应采用的条件是() A低温、高压、催化剂 B低温、低压、催化剂 C高温、高压、催化剂 D适当温度、低压、催化剂 解析：选C。根据合成氨反应的特点、外界条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂的活性进行选择。,课堂互动讲练,工业生产中选择适宜生产条件的思路,1从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2根据反应特点

7、具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和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。,特别提醒：1.选取适宜的化工生产条件时，要运用反应速率和化学平衡移动原理，同时考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。 2自然界中，生物固氮酶催化的作用，在常温常压下，将游离的N2转化为化合态氮，因此仿生固氮酶催化剂可大大提高N2转化速率和效率。,工业生产硫酸时，将SO2催化氧化转化为SO3是关键步骤。 .已知每生成1 mol气态SO3放出98.9 kJ的热量，该反应的热化学方程式是：_。 .实际生产中，SO2的催化氧化采用400 500 和常压，结合下

8、面数据回答问题：不同压强及温度下SO2的转化率如表(原料气各成分体积分数为SO2 7%，O2 11%，N2 82%)所示：,(1)根据表中数据阐述SO2的氧化是放热过程 _。 (2)在400 时，当平衡状态由0.5 MPa变到1 MPa时，平衡常数K(0.5 MPa)_ K(1 MPa)(填“”、“”或“”)。,(3)在实际生产中通常通入过量空气，其目的是_ _。 (4)工业生产中，SO2的催化氧化采用常压，而不是高压，其主要原因是_ _。,(5)下列变化不能提高SO2转化率的是_。 a增大压强 b使用催化剂 c升高温度 d增加O2的浓度 (6)依据题目条件，计算生产1万吨98%硫酸需要的SO

9、3质量和由SO2生产这些SO3放出的热量。,【思路点拨】解答本题注意以下两点： (1)注意本反应的反应特点，如V、H、(SO2)等。 (2)把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。 【解析】本题考查工业生产硫酸的生产条件选择，解题时注意所发生的反应特点，联系速率和平衡选择适宜生产条件。,(2)平衡常数只随温度变化而变化，不受压强影响。因此0.5 MPa时与1 MPa时的平衡常数相等。 (3)增大空气通入量，增加氧气浓度，加快反应速率，使平衡右移，促使SO2转化率提高。,(4)根据表格中的数据可以得知：在0.1 MPa(即常压1标准大气压下)SO2的转化率已经很高，如在4

10、00 时已达99.2%，若增大压强到10 MPa(即100标准大气压)，压强增大到100倍但是SO2的转化率只增大为99.9%，只增大了0.7%，变化不大。而压强增大到100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都做相应的提高，会增大成本投入。,(5)要提高SO2转化率，就要使平衡向右移动。增大压强，增加O2浓度均可使平衡右移，转化率提高；催化剂对平衡无影响，SO2转化率不变；升高温度平衡左移，SO2转化率降低。 (6)1万吨98%的硫酸含H2SO4的质量：9.8109 g。设需要SO3的质量为x，该反应产生的热量为y。,【答案】.2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H197.8 kJmol

11、1 .(1)压强相同时温度越高，二氧化硫转化率越低，即升温平衡向逆反应方向移动，逆反应吸热，正反应放热 (2) (3)增大反应速率，提高SO2转化率,(4)在400 500 时，增大压强，二氧化硫的转化率增大不够显著，且增大压强对设备的要求高，所以常压即可 (5)b、c (6)8.0103 t9.89109 kJ 【提示】(1)可用NaOH吸收：2NaOHSO2=Na2SO3H2O，也可用氨水吸收：2NH3H2OSO2=(NH4)2SO3。 (2)用98.3%的浓H2SO4吸收。,互动探究 上述例题中：(1)尾气中SO2用何种物质吸收？写出化学反应方程式。(2)用何种物质吸收SO3可制得浓H2

12、SO4？,变式训练1(2010年高考上海卷)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(),AB C D 解析：选B。合成氨反应为N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动，、正确；将原料气循环还利用也可提高原料的转化率，正确。,1生产流程,合成氨的工艺流程,2原料气的制取 N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。 H2：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，

13、反应可简单表示为： CH4H2O=CO3H2COH2O=CO2H2,3净化气体 制得的N2、H2需净化，除去杂质(防止催化剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。 4NH3的合成 在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后，进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。,5NH3的分离 混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得到液氨，而未反应的N2和H2经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。 特别提醒：现代合成氨工业正向着原料结构更加合理化，生产规模大型化，开发低能耗新工艺，以及实现生产自动化的方向迅速发展。,工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g

14、)3H2(g) 2NH3(g)H92.44 kJmol1，其部分工艺流程如图所示：,反应体系中各组分的部分性质见下表,回答下列问题： (1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。随着温度升高，K值_(填“增大”、“减小”或“不变”)。 (2)K值越大，表明_(填字母)。 A其他条件相同时N2的转化率越高 B其他条件相同时NH3的产率越大 C原料中N2的含量越高 D化学反应速率越快,(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到_使_分离出来；继续循环的气体是_。,(2)K值越大，说明NH3越大，N2和H2就越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同时N2的转化率就越高，N

15、H3的产率就越大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N2和H2循环使用，以提高产率。,变式训练2下图是合成氨的简要流程示意图：,沿X路线回去的物质是() AN2和H2 B催化剂 CN2 DH2 解析：选A。考查合成氨的工业流程。,探究整合应用,“人工固氮”新探究 从提高反应的限度和提高化学反应速率以及工业化生产的综合效益上考虑，合成氨最适宜的条件是：铁作催化剂、反应温度控制在700 K左右；压强在2107 Pa5107 Pa范围内；n(N2)n(H2)12.8。,科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。 (1)目前合成氨技术原理为：N2(g)3H2(g

16、) 2NH3(g) H92.2 kJmol1。 673 K,30 MPa下，上述合成氨反应中n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是_。,A点a的正反应速率比点b的大 B点c处反应达到平衡 C点d和点e处的n(N2)相同 D773 K,30 MPa下，t2时刻也是该反应的平衡点，则n(NH3)比图中e点的值大,在容积为2.0 L恒容的密闭容器中充入0.80 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在673 K、30 MPa下进行，达到平衡时，NH3的体积分数为20%。该条件下反应N2(g)3H2(g) 2NH3(g)的平衡常数K_。,(2)希腊亚里斯多德大学的两位科学家曾采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H)，实现了高温常压下高