高中化学 2.4 化学反应条件的优化 工业合成氨配套 鲁科版选修4

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。2.了解合成氨生产的主要流程。3.了解工业生产条件选择的依据和原则。4.知道化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。一、合成氨反应的限度从化学平衡的角度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 合成氨反应为什么采用高压条件？从化学平衡的角度分析高温有利于氨的合成吗？1.反应原理合成氨反应的化学方程式为_________________________,ΔH<0，ΔS<0。2.影响因素(1)结合化学平衡移动规律可知，_____温度、_____压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)在一定的温度和压强下，反应物中氮气和氢气的体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。降低增大1∶3N2(g)+3H2(g)2NH3(g)二、外界因素对合成氨反应速率的影响(1)合成氨反应的速率与哪些因素有关？(2)合成氨时温度的控制考虑了哪些方面的因素？1.浓度在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，由关系式可知，_____N2或H2的浓度，_____NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。2.温度:温度越___，反应进行得越快。3.催化剂：加入适宜的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使化学反应速率提高上万亿倍。4.压强：压强越大，反应速率越快。高增大降低三、合成氨的适宜条件(1)合成氨的适宜条件是什么？(2)合成氨的适宜条件的选择综合考虑了哪些因素？1.合成氨反应条件的选择依据工业生产中，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。反应速率反应限度转化率产量低温氮气高压高温循环使用浓度分离氨2.实际生产中合成氨的适宜条件(1)压强：加压有利于提高反应速率和原料的转化率，但要考虑设备和技术条件等，实际选择压强为___________________。(2)温度：高温有利于提高反应速率，低温有利于提高原料的转化率，还要考虑催化剂的活性，实际选择温度为____K左右。(3)催化剂：___。(4)浓度：①及时补充______，增大反应物浓度。②及时分离出___，减小生成物浓度。1×107Pa～1×108Pa700N2和H2NH3铁1.工业合成氨压强越高越好。()分析：压强太高对设备的要求高，会使得生产成本增加。2.工业合成氨常将氨液化分离。()分析：将氨液化分离有助于化学平衡正向移动。3.合成氨反应加入催化剂能增大产率。()分析：催化剂不会影响平衡移动，对产率没有影响。×√×4.在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。()分析：合成氨反应放热，要达到高转化率应低温，而温度太低会使得反应速率太慢。5.合成氨实际工业生产中反应物氮气和氢气的转化率相等。()分析：合成氨实际工业生产中，氮气与氢气的物质的量之比不是1∶3，转化率不相等。√×一、高压合成氨1.合成氨工业的流程原料气的制取—净化—压缩—合成—分离—液氨原料气的制取N2：液化空气，蒸发分离出氮气H2：用水和燃料在高温下制取。如C+H2O(g)CO+H2，CO+H2O(g)CO2+H2高温====高温====2.氨的合成(1)主要设备：合成氨塔。(2)反应原理：N2+3H22NH3。高温、高压催化剂(3)反应条件。【特别提醒】合成氨的反应即使是在选择的适宜条件下，氨的产率仍然很低，使原料不能充分利用。工业生产中，采用循环操作的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，及时将氨从反应混合物中分离出来，使原料气再重新进入合成装置，提高原料利用率。【典例1】合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。(1)(双选)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.500℃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(2)已知工业合成氨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下图所示，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__________。【思路点拨】解答本 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 时要注意以下两点：(1)工业合成氨反应条件的选择综合考虑了反应速率和平衡转化率两个因素；(2)分析实验条件的改变应注意图像中速率平衡移动情况的变化。【解析】(1)选A、C。使用铁催化剂，能同等程度地加快正逆反应的速率，但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。由于合成氨的正反应是一个气体分子数减小的反应，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，500℃左右铁催化剂的活性最高，因此此选项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。(2)①t2时刻正反应速率瞬间增大，逆反应速率瞬间未变化，后平衡正向移动，应是增大了反应物的浓度；t4时刻速率变大，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小后平衡正向移动，应是降低了温度。②用三段式计算：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始物质的量浓度：2a4a0转化物质的量浓度：a3a2a平衡物质的量浓度：aa2a平衡常数K=4a2/a4=4/a2平衡时放出热量46.1kJ，则平衡时N2转化了0.5mol，0.5a=0.5mol，a=1.0，K=4.0。答案：(1)A、C(2)①增大N2或H2的浓度加入催化剂降温②4.0【变式训练】科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0×105Pa、反应时间3h)：相应的热化学方程式如下：ΔH1=+765.2kJ·mol-1回答下列问题：(1)请用坐标图，画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：____________。(3)工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为计算：①该条件下N2的平衡转化率为_____________；②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为_______________。【解析】(1)用纵坐标表示能量，横坐标表示反应过程，该反应是吸热反应，生成物的总能量高于反应物的总能量，有催化剂时的活化能小于无催化剂时的活化能。图示如下：(2)适当增大压强，研究新催化剂。(3)①设平衡时有xmolN2转化。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始物质的量：0.6mol1.6mol0平衡物质的量：(0.6-x)mol(1.6-3x)mol2xmol故N2的平衡转化率②由①可知，N2、H2、NH3平衡时的物质的量分别为0.2mol、0.4mol、0.8mol，在2.0L容器中浓度分别为0.1mol·L-1、0.2mol·L-1、0.4mol·L-1=5.0×10-3mol2·L-2答案：(1)(2)适当增大压强，研究新催化剂(3)①②5.0×10-3mol2·L-2二、在工业生产中选择适宜的生产条件的思路1.从可逆性、反应前后气体化学计量数的变化、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。【拓展延伸】实际工业生产需考虑的其他因素(1)选择实际工业生产的反应条件，既不能片面追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。(2)在化工生产中常常通过增加某一价廉、易得的反应物的浓度来提高另一昂贵、稀缺的反应物的转化率，从而降低生产成本。为了提高产率，生产过程中常常将反应产物及时从体系中移走，使反应所建立的化学平衡不断地向右移动。(3)还应该考虑原料的价格、未转化的原料的循环使用和反应热的综合利用等。(4)从环保和安全角度考虑。【特别提醒】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，综合选取生产条件。【典例2】在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=－198kJ·mol-1。如表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)催化剂△====(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_____________。(2)实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度其原因是__________________。(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_________________________________________。(4)在生产中，通入过量空气的目的是___________________。(5)尾气中的SO2必须回收是为了___________________。【思路点拨】解答本题时要注意以下三点：(1)该反应的正反应是气体体积减小的放热反应。(2)增大压强，转化率的提高幅度不大。(3)选择温度时要考虑催化剂的活性。【解析】(1)观察反应的特点可以得出要想使平衡正向移动，可以采取的措施为低温、高压。(2)由于400℃～500℃是较高温度，而升高温度虽然会使反应速率加快，但是通过上表分析对生成物的产率影响不大，所以主要原因是此温度时催化剂的活性最大。(3)因为在常压下400℃～500℃时SO2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，故采用常压。(4)增大氧气的浓度，相当于增大了反应物的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高二氧化硫的转化率。(5)尾气是一种污染性气体，所以在反应结束后需对其进行尾气处理，以减少对环境的污染。答案：(1)低温，高压(2)该温度是催化剂的活性温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间(3)因为在常压下400℃～500℃时SO2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不合适(4)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高二氧化硫的转化率(5)减少对环境的污染【延伸探究】(1)同一压强下为什么温度越高，SO2的转化率越低？(2)如何来处理尾气中的SO2？提示：(1)因为该反应的正反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，所以温度越高，转化率越低。(2)用碱液吸收后回收再利用。【变式备选】研究NO2、SO2、CO等大气污染气体的处理具有重要意义。(1)一定条件下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应：NO2+SO2====NO+SO3，下列能说明反应达到平衡状态的是__________。a.体系压强保持不变b.混合气体颜色保持不变c.SO3和NO的体积比保持不变d.每消耗1molSO3的同时生成1molNO2测得上述反应平衡时NO2与SO2体积比为1∶6，则平衡常数K＝__________。(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为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_________0(填“>”或“<”)。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是______________________________。【解析】(1)a项，因该反应为一个反应前后气体体积不变的反应，故压强不变不能作为判断反应达到平衡状态的标志；b项，因颜色与浓度大小有关，颜色不变意味着NO2浓度不变，其他物质的浓度也不变，故正确；c项，SO3和NO的体积比在任意时间都是1∶1，体积比都不变，故它不能作为判断反应达到平衡状态的标志；d项，因消耗SO3与生成NO2是同一个方向，因此它不能作为反应达到平衡状态的标志。答案为b。NO2与SO2以体积比1∶2参与反应，达到平衡时它们的体积比为1∶6，现可设容器的体积为1L，NO2与SO2的物质的量分别为1mol、2mol；参加反应的NO2与SO2的物质的量分别为x、x，达到平衡时NO2与SO2的物质的量分别为1-x，2-x，由题意可得，(1-x)/(2-x)=1∶6，解得x=0.8，故平衡状态时，c(SO3)=c(NO)=0.8mol·L-1，c(NO2)=(1-0.8)mol·L-1=0.2mol·L-1，c(SO2)=(2-0.8)mol·L-1=1.2mol·L-1，则K=c(SO3)·c(NO)/c(SO2)·c(NO2)=2.67。(2)由图可得出，温度相对较低时，CO的平衡转化率高，说明了该反应的正反应是一个放热反应，故该反应ΔH小于0，因在1.3×104kPa下，反应物CO的转化率已经很大，再加压，对设备的要求较高，得不偿失。答案：(1)b2.67(2)<在1.3×104kPa下，反应物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，得不偿失1.(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是()A.温度升高，不利于提高合成氨的反应速率B.工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨C.合成氨反应化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等因素的影响D.使用铁催化剂，可以使氮气和氢气化合的速率明显加快【解析】选C、D。A项说法是完全错误的，温度升高，化学反应速率加快，从提高反应速率角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高反应物的转化率越低，因此选择700K左右的温度是综合反应速率、化学平衡和催化剂的活化温度三方面考虑的。B项说法也是完全错误的，任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样适宜的条件，氮气也不会完全转化为氨。C项，降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物浓度，减小生成物浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产上就是不断地向合成塔中送入高浓度的氮氢混合气，并不断地将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约。D项，使用催化剂可以显著提高化学反应速率，应注意催化剂的活化温度，应是催化剂最能发挥催化作用的温度，铁催化剂的活化温度为700K左右。2.在一定温度下，在定压容器a与定容容器b中，分别盛入体积比为1∶3的N2和H2，开始时体积相同，达到平衡时,N2的转化率应该是()A.a大B.b大C.a、b一样大D.不一定【解析】选A。设定容容器b中N2的转化率为a，对定压容器a先进行等容操作，此时N2的转化率为a，因为该反应为气体分子数减少的反应，则此时压强变小，为保持压强不变，需压缩气体增大压强，此时平衡向右移动，N2的转化率进一步增大。所以a大。3.(2012·济南高二检测)在容积可变的密闭容器中，2molN2和8molH2在一定条件下反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氨气的体积分数接近于()A.5%B.10%C.15%D.20%【解析】选C。根据N2+3H22NH3起始物质的量(mol)：280转化物质的量(mol)：2/38×25%4/3平衡物质的量(mol)：4/364/3所以平衡时氨气的体积分数为4.下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是()A.H2的消耗速率与NH3的生成速率之比为3∶2B.混合气体的平均相对分子质量不再改变C.N2的生成速率与NH3的生成速率之比为1∶1D.密闭容器中H2、N2、NH3的物质的量之比为3∶1∶2【解析】选B。H2的消耗速率与NH3的生成速率都表示正反应速率，不能表示反应达到平衡状态；混合气体的平均相对分子质量不再改变表示混合气体的总物质的量不变，能表示反应达到平衡状态；N2的生成速率与NH3的生成速率之比为1∶1，不能表示正、逆反应速率相等，不能表示反应达到平衡状态；H2、N2、NH3的物质的量之比的大小与是否达到平衡状态无关。5.(2012·南京高二检测)下列有关工业生产的叙述正确的是()A.合成氨生产过程中将NH3液化分离，可加快正反应速率，提高N2、H2的转化率B.硫酸厂靠近原料产地比靠近硫酸消费中心更为有利C.由于2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，所以硫酸生产中常采用高压条件提高SO2的转化率D.充分利用硫酸厂生产过程中产生的“废热”，可使硫酸厂向外界输出大量的能量【解析】选D。本题考查常见化学工业原理。从原理上讲，合成氨时将氨液化使正逆反应速率都减小，A错；厂址的选择要综合考虑，B错；对于二氧化硫与氧气催化氧化为三氧化硫的反应，在常压下二氧化硫的转化率已相当高，不用再提高成本采取高压，C错；要充分合理的利用能源，D对。6.在密闭容器内，使1molN23molH2混合发生下列反应：3H2+N22NH3ΔH<0(1)合成氨时选择500℃高温的目的是_________________。(2)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是___________。(3)当达到平衡时，充入氩气，并保持体积不变，平衡将____移动。(4)当达到平衡时，充入氩气，并保持压强不变，平衡将______移动，反应速率将_____________。(5)当达到平衡时，充入N2并保持压强不变，平衡将_________移动。(6)当达到平衡时，保持体积不变，升高温度时，混合气体的平均相对分子质量_________，密度_________。【解析】合成氨时选择500℃高温可以加快反应速率，而且工业上用的催化剂在该温度时活性最大；因为初始和转化的N2和H2的浓度比都是1∶3，所以当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是1∶3；平衡时保持体积不变，充入氩气平衡不移动，保持压强不变充入氩气，容器体积变大，反应速率将变小，平衡逆向移动；充入N2并保持压强不变，平衡将正向移动；保持体积不变，升高温度时，平衡逆向移动，混合气体的质量不变，总物质的量变大，平均相对分子质量变小，密度不变。答案：(1)加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大(2)1∶3(3)不(4)逆向变小(5)正向(6)变小不变工业合成氨反应条件的优化探究已知298K时,在体积均为0.25L的两个恒温密闭容器中发生可逆反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1，ΔS=-198.2J·K-1·mol-1。实验测得起始、平衡时的有关数据如下表：【思考探究】(1)根据反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行。提示：ΔH-TΔS=-92.2kJ·mol-1-298K×(-0.1982kJ·K-1·mol-1)<0,298K下反应能自发进行。(2)请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。提示：从有利于化学平衡正向移动角度分析，低温、高压有利于氨的合成。(3)实验表明,在特定条件下,合成氨反应的速率与反应的物质的量浓度的关系为v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，请你根据关系式分析: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？提示：增大氮气和氢气的浓度或减少氨气的浓度会加快化学反应速率，为保持足够高的反应速率，在反应达到一定转化率时，可将氨从混合气中分离出去。(4)容器①、②中反应的平衡常数是否相等？提示：因①、②中的反应温度相同，所以化学平衡常数相等。(5)容器②中达平衡时放出的热量Q是否还等于23.15kJ？提示：不再相等。因为起始状态不相同，而到达平衡时的物质的量相同，所以正反应进行的程度不同，故放出的热量不同。(6)若容器①体积为0.5L，则平衡时放出的热量与23.15kJ进行比较谁的数值较大？提示：若容器①体积为0.5L，则相对于0.25L的容器来说，压强变小，平衡左移，所以正反应进行的程度较①小，故放热小于23.15kJ。