1、第4节化学反应条件的优化工业合成氨学业要求素养对接1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化。2.能运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响规律解释实际问题。科学态度与社会责任：通过反应条件的选择和优化，促使学生形成多角度综合调控化学反应的思路，发展学生“绿色化学”的观念。知 识 梳 理知识点一、合成氨反应的限度1.合成氨的化学反应方程式N2(g)3H2(g)2NH3(g)，H0, S0。2.合成氨反应的特点(1)能自发进行。 (2)正反应是放热反应。(3)正反应是气体物质的量减小的反应。(4)可逆反应。3.降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成NH3的
2、方向移动；在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为13时，平衡混合物中NH3的含量最高。知识点二、合成氨反应的速率1.增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。2.升高温度有利于提高合成氨的速率。3.加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，加快化学反应的速率。知识点三、合成氨的适宜条件1.合成氨反应条件的选择原则(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；(2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量；(3)考虑设备的要求和技术条件。2.合成氨反应的适宜条件(1)压强适宜条件理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。(2)温度适宜条
3、件：700_K左右。理论依据：该温度下催化剂的活性最强，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。(3)催化剂适宜条件：以铁为主的多成分催化剂。(4)浓度适宜条件：N2和H2按物质的量之比12.8时混合，适时分离出_氨气。理论依据：适当提高N2的浓度，来提高H2的转化率。(5)其他为了提高原料的利用率，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。自 我 检 测1.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解析催化
4、剂不影响平衡移动；合成氨采用500 是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。答案B2.合成氨反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJ mol1，K6.6105 mol2L2。(1) 从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是_。(2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用700 K，不采用低温操作的理由是_。 (3)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因是_。(4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率，而实际采用的最高压强为8.51071108Pa，不采用更高的压强，其原因是_。答案(1)为了
5、加快化学反应速率，提高单位时间的产量(2)温度低时反应速率小，单位时间内NH3的产量低 (3)温度升高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小，单位时间内NH3的产量低，并且在此温度时，催化剂的活性最大(4)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。采用更高的压强，对设备和材料的要求越高，需要的动力越大，会增加投资和能量消耗，不经济3.一定条件下，将10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密闭容器中，发生反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，并达到平衡状态，则H2的转化率可能是()A.15% B.30% C.35% D.75%解析对可逆反应而言，任
6、何一种物质都不能完全转化。利用“极限法”，假设N2完全转化，则消耗的H2的物质的量为n(H2)3n(N2)3.0 mol，但事实上，N2是不可能完全转化的，因而消耗的H2的物质的量一定小于3.0 mol，故H2的转化率(H2)100%30%。答案A学习任务、工业生产中选择适宜生产条件的思路【情景材料】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，1900年，法国化学家勒夏特列通过理论计算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。他在用实验验证过程中发生了爆炸，一个助手差点丧命。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，就放弃了。同时间，许多著名的法国化学家如泰纳，德维尔乃至贝托洛自己
7、都在这项工作中失败了。1909年，德国物理化学家F.哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.520MPa和500600 下直接合成，反应器出口得到6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长，你最关心什么呢？对整个生产过程有怎样的要求？提示提高单位时间内的产量以及原料的利用率，提高合成氨的效益。【名师点拨】1.分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。3.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。外界条件有利于加快反应速率的控制有利于平衡移动条件的控制综合分析结果浓度增大反应物浓度增大反应物浓度、减
8、小生成物浓度不断补充反应物、及时分离出生成物压强高压(有气体参加)V0低压兼顾速率和平衡、选取适宜的压强温度高温H0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取催化剂催化剂加合适的催化剂无影响加合适的催化剂，考虑催化剂活性与温度关系【典例】关于工业合成氨的叙述中，错误的是()A.在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行B.温度越高越有利于工业合成氨C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动解析合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。答案B变式训练对于可逆反应N
9、2(g)3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，下列说法中正确的是()A.达到平衡后，加入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小B.达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率C.达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小解析达到平衡后，加入N2，平衡正向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度比原平衡的大；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡逆向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小容器体积
10、即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡正向移动，又有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。答案C1.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()解析合成氨的正反应是放热反应，升温，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NH3%最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，NH3%缩小，B正确；低温下达到平衡，NH3%大，C错误；增大压强，平衡向右移动，NH3%增大，D正确。答案C2.下列说法能够用勒夏特列原理来解释的是()A.加入催化剂可以提高单位时间氨的产量B.高
11、压有利于氨的合成反应C.500 高温比室温更有利于合成氨的反应D.恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多解析A项中加入催化剂只能增大反应速率，缩短到达平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动。B项中合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正方向移动，有利于合成氨，符合勒夏特列原理。C项中因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度。500 高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。采用500 既考虑到温度对速率的影响，更主要的是500 左右催化剂活性最大。D项中恒温恒容下充He，惰性气体He不与N2、H2
12、、NH3反应。虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变(即分压不变)，所以平衡不移动，NH3的产量不变。答案B3.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A.提高分离技术B.研制耐高压的合成塔C.研制低温催化剂D.探索不用N2和H2合成氨的新途径解析由图可知：(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高(NH3)必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度在700 K左右，故最有前途的研究方向是研制低温催化剂。答案C4.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)2SO3 (g)H1
13、98 kJ mol1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)p/PaT/ 1105510511065106110745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(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400500 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)尾气中有SO2必须回收是为了_。解析从提高反应速率考虑，合成SO3需要加入催化剂和升温，加压；从增大反应物的转化率方面考虑，合成SO3需低温，加压，通入廉价空
14、气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜条件。答案(1)低温、高压(2)该温度是催化剂的活性最强的温度，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，400500 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，不经济(4)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率(5)减少对环境的污染课时作业基 础 练1.合成氨工业上采用循环操作主要是因为()A.加快化学反应速率B.能提高氨的平衡浓度C.降低氨气的沸点D.提高氮气和氢气的利用率答案D2.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要
15、的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，673 K，30 MPa下，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的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大解析a点的反应物浓度大于b点，所以反应速率a更快；c点的时候各种物质的浓度仍在变化，并没有达到平衡；而d、e两点时达到平衡，浓度不再变化；升高温度，平衡逆向移动，氢气的浓度变大。答案D3.合成氨反应通常控制在2050 MPa的压强和500 左右的温度，
16、且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为13，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：20 MPa60 MPa500 19.142.2而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明()A.表中所测数据有明显误差B.生产条件控制不当C.氨的分解速率大于预测值D.合成塔中的反应并未达到平衡解析表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。答案D4.已
17、知可逆反应：aA(g)bB(？)cC(g)H0(B物质的状态未确定)。关于该反应的描述正确的是()A.加压若平衡正向移动，则acB.加入一定量的B，平衡一定正向移动C.缩小容器的体积，各物质的浓度一定增大D.升高温度，平衡一定正向移动，混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定解析A.增加压强，对于反应前后气体的系数和变化的反应来说，会引起平衡的移动，但是B的状态不确定，所以移动方向无法判断，故A错误；B.加入一定量的B，若B是固体或液体，平衡不移动，故B错误；C.缩小容器的体积，对于固体物质来说，浓度不变，即缩小容器的体积，各物质的浓度不一定增加，故错误；D.升高温度，平衡一定向吸热方向移动，即正
18、向移动，混合气体的平均摩尔质量等于质量和物质的量的比值，但是B的状态以及a、b、c不确定，所以混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定，故D正确。答案D5.一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应：下列说法正确的是()A.达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深B.单位时间内生成n mol S2Cl2，同时生成2n mol SCl2时，反应达到平衡状态C.达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅D.单位时间内有n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2时，平衡向正反应方向移动解析抽出Cl2，因容积可变，Cl2浓度不变平衡不移动，混合液颜色不变，A项错误；B项正确；降温，平
19、衡正向移动，混合液颜色变深，C项错误；n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2即v正v逆，平衡不移动，D项错误。答案B6.硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2O22SO3的说法中正确的是()A.只要选择适宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3B.该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零C.在达到平衡的体系中，充入由18O原子组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多D.在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题解析反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，A错
20、；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O原子组成的O2，平衡向正方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错、D正确。答案D7.在容积不变的密闭容器中发生反应：2SO2(g)O2(g) 2SO3(g)H(a)，则1(a)(b)。答案A10.下面是合成氨的简易流程示意图：沿x路线回去的物质是()A.N2和H2 B.催化剂C.N2 D.H2答案A11.下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)投料V(N2)V(H2)13(1)比较200 和300 时的数据，可
21、判断升高温度，平衡向_(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，正反应方向为_(填“吸热”或“放热”)反应。(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是_。A.高温高压 B.高温低压C.低温高压 D.低温低压(3)计算500 ，30 MPa时N2的转化率_。(4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500 对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：_。解析(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H”“2，压强增大，平衡正向移动；500 高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动；采用500 既考虑到温度对速率的影响，更主要的是500 左右催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率，不改变平衡移动；生成氨液化并分离出来，减少体系中氨的浓度，平衡正向移动。(2)采用更大压强，需要使用承受更大压强的设备，增加了生产成本，不经济。(3)在甲容器中，反应的N2为2 mol甲，则有K甲与乙相比，相当于在乙平衡的基础上增大压强，平衡正向移动，即甲容器中的平衡正向移动程度更大，所以甲乙。答案(1)BC(2)采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备，从而增加生产成本(其他合理答案：也可)(3)