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)，H_0,S_0。2.合成氨反应的特点(1)能自发进行。(2)正反应是_热反应。(3)正反应是气体物质的量_的反应。(4)可逆反应。高温、高压催化剂放减
2、小3._温度、_压强有利于化学平衡向生成NH3的方向移动；在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为_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._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._温度有利于提高合成氨的速率。3.加入合适的催化剂能_合成氨反应的活化能，加快化学反应的速率。降低增大13增大升高降低知识点三、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_，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 1107Pa 2107
3、Pa3107Pa 8.5107Pa1108Pa理论依据：压强越大，要求动力_，对材料和设备的制造要求就越高。转化率化学反应速率低压中压高压越大(2)温度 适宜条件：_左右。理论依据：该温度下催化剂的活性_，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_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_。理论依据：适当提高_的浓度，来提高H2的转化率。(5)其他 为了提高原料的_，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。700 K最强铁氨气N2利用率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
4、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 B 自 我 检 测(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
5、高压 强 为 8.5107 1108Pa，不 采 用 更 高 的 压 强，其 原 因 是_。2.合成氨反应为 N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJ mol1，K6.6105 mol2L2。答案(1)为了加快化学反应速率，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 A.15%B.30
6、%C.35%D.75%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()解析 对可逆反应而言，任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)3.0 mol10.0 mol100%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
7、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
8、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()
9、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 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 变式训练 对于可逆反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，下列说法中正确的是()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 C
