1、金品质高追求我们让你更放心！化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)第4节 化学反应条件的优化工业合成氨化学反应的方向、限度与速率金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产，经历了从18世纪末到20世纪初的一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展，高温、高压等工业技术条件的改善，以及许多研究工作者的反复
2、实验，德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应，终于在1913年实现了合成氨的工业化生产，满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)问题：根据合成氨反应原理：N2(g)3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1，外界条件对合成氨反应平衡有何影响？金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(
3、配配鲁科版鲁科版)1合成氨反应是一个能自发进行的放热反应，同时也是气体的物质的量_的_反应。因此，_温度、_压强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。2依据平衡移动的原理可知，合成氨反应在_压和_温的条件下进行时，才能得到较高的产率。但是，高压条件对设备提出了苛刻的要求，而反应温度的降低势必_达到化学平衡的时间，致使生产效率降低，失去工业化生产的意义。13减小熵减降低增大延长高低金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)3由反应速率与参与反应物质的浓度的关系式可
4、知，合成氨反应的速率与氮气浓度的_次方成正比，与氢气浓度的_次方成正比，与氨气浓度的_次方成反比。在反应过程中，随着氨的浓度的增大，反应速率会逐渐_，因此为了保持足够高的反应速率，应适时将_从混合气中分离出来。在其他条件相同的情况下，使用_可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。催化剂11.51降低氨金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)4目前，合成氨生产中一般选择_作为催化剂；控制反应温度在_左右。根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强；通常采用氮气与氢气的物质的量
5、之比为_的投料比。12.8铁700 K金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)5对合成氨反应条件的综合分析(1)从合成氨的化学平衡分析：有利于提高转化率的措施(2)从合成氨的反应速率分析：(3)选择合成氨的条件时，既不能片面的追求高转化率，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。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气(H2和N2)的循环使用、反应热的综合利用等问题。分离降低提高提高使用(正)金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)金品
6、质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)合成氨反应的限度1分析合成氨反应的自发性已知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1，S198.2 JK1mol1在298 K 时，HTS92.2 kJmol1298 K(198.2103)kJK1mol133.1 kJmol10。故该反应在298 K时能自发进行。2合成氨的条件该反应是正反应体积减小、放热、熵减的可逆反应，由化学平衡移动原理及影响平衡移动的条件知，合成氨的理想条件是：低温、高压。实验表明：在一定的温度和压强下，反应物N2、H2的体积比为13时，平衡混合物中氨
7、的含量最高。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)保持温度、压强不变，合成氨反应达到平衡状态时，进行如下操作，平衡不发生移动的是()A恒温、恒压时，充入NH3B恒温、恒容时，充入N2C恒温、恒压时，充入He D恒温、恒容时，充入He 金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)解析：本题考查浓度对化学平衡的影响。在恒温、恒压时，向平衡体系中加入NH3，体系体积增大，由于加入物质是生成物，实际上是等于减少了反应物的浓度(反应物的体积变大，而物质的量没变)，此时，正反应速率小于逆反
8、应速率，平衡向左移，故A将发生移动。在恒温、恒容时，充入N2使容器内压强增大。由于整个体系的体积不变，所以加入N2后，反应物N2的浓度增大，所以平衡向右移动。故B发生移动。在恒温、恒压时，加入He，使整个体系做等压膨胀，体积变大，He虽然不参与化学反应，但由于体积的膨胀，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的浓度都相应减小，结果，反应物浓度减小的程度比生成物浓度减小的程度大，此时正反应速率小于逆反应速率，平衡左移。故C发生移动。在恒温、恒容时，向体系中加入He，使整个体系压强增大，但由于He不参与反应，对于参加反应的物质而言，它们的物质的量和体积都没有变化，所以浓度没变，故平衡不发生移动。答案
9、：D金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)合成氨的反应速率1由平衡移动的原理可知，合成氨要在高压和低温下才能得到较高的产率。但是高压条件对设备的要求高，而反应温度的降低势必延长达到化学平衡的时间，致使生产效率降低，失去了工业生产的意义。因此在寻找最佳的生产条件时，除了考虑反应的限度外，还需要研究哪些措施可以用来提高化学反应速率。2增大反应速率的方法：可以采用升高温度、增大压强、增大反应物N2(或H2)的浓度及使用催化剂等措施来提高合成NH3的反应速率。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(
10、配配鲁科版鲁科版)3浓度对化学反应速率的影响从vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，在一定的温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度c(N2)或c1.5(H2)成正比关系，与生成物浓度c(NH3)成反比关系。因此可以采用增大反应物浓度、减小生成物浓度来提高化学反应速率。4催化剂对化学反应速率的影响金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)加催化剂可以使反应的活化能从335 kJmol1降低为167 kJmol1，3.41012(700 K)表明，使用催化剂后可以使合成氨的反应速率提高上万亿倍，因为催化剂改变了反应的历程，降低了反
11、应所需的活化能，增大了反应速率常数，大大提高了化学反应速率。结论：从化学反应速率理论方面分析：增大反应物浓度、使用合适的催化剂、增大压强及升高温度都可以增大合成氨的反应速率。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，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催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学
12、选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)解析：本题考查运用平衡移动原理及化学反应速率理论来解决问题的实际应用能力。对于化学反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应所需活化能，增大反应速率常数，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用时间，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。答案为C。答案：C金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)在一定条件下，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)3
13、H2(g)2NH3(g)，并达到平衡状态，则H2的转化率可能是()A15%B30%C35%D75%解析：对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。为方便解题，假设N2完全转化，则消耗H2的物质的量为：n消耗(H2)3n(N2)3.0 mol 事实上，N2完全转化是不可能的，因而消耗H2的物质的量绝对小于3.0 mol，故H2的最大转化率：最大(2)100%30%，观察备选项可知答案。答案：A金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)合成氨的适宜条件1化学反应条件的优化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起着重要的作用
14、，在实际生产中应当运用对立统一的规律，综合化学反应速率和化学平衡移动原理，既考虑反应的快慢(反应速率的大小)，又考虑反应进行的程度(化学平衡)。在这个过程中还要坚持以下三个原则：既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性；既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；既要注意理论上的需要，又要注意实际生产的可能性。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)2对于某一特定的实际反应，选取适宜的外界条件的基本思路(1)从可逆性、反应前后条件系数的变化、焓变三个角度分析化学
15、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。外界条件有利于增大速率的条件控制有利于平衡的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物，及时地分离出生成物金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度高温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压强高压(有气体参加)n(g)0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理
16、化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)例如：合成氨的工业生产：压强：温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，一般采用21075107 Pa。温度：从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率变慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。催化剂：为了加快反应速率，采用以铁为主体的铁催化剂。浓度：不断地补充氮气和氢气，及时地分离出氨气。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)可逆反应3H2
17、(g)N2(g)2NH3(g)；H0达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是()A升高温度，降低压强，增加氮气B降低温度，增大压强，加入催化剂C升高温度，增大压强，增加氮气D降低温度，增大压强，分离出部分氨金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)解析：本题旨在考查影响化学平衡的外界因素的应用与分析。本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，就是在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，使更多的氢气转化为氨。从化学平衡分析也就是使平衡向正反应方向移动。先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用
18、尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的。合成氨反应前后都是气体物质，反应前气体体积比反应后气体体积更大，所以增大压强会使平衡向气体体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，选项A是错误的，其他选项中增大压强是正确的。有关浓度的影响，增大反应物浓度或减小生成物浓度，会使平衡向正反应方向移动，在合成氨反应中增加氮气和减少(分离出)氨可以使反应向正方向移动。加入催化剂可加快反应，但对平衡移动无影响，选项B是错误的。所以只有选项D是正确的。答案：D金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)合成氨的反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，
19、在一定条件下已达到平衡状态。(1)此时_相等，_保持不变，而_却仍在进行，因此化学平衡是_平衡。(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移动，则正反应是_反应，生成1摩尔氨的反应热是46.1 kJ，则该反应的热化学方程式为_。(3)合成氨时，选择500高温的目的是_。(4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变，而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，则上述平衡向_移动；若在平衡体系中加入氦气，则上述平衡_移动。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)解析：解决此问题的关键是：(1)根据化学平衡状态的定义及特点可知，反应达到平衡
20、状态时，正、逆反应速率相等，各反应物和生成物的浓度保持不变，而正、逆反应却仍在进行，因此化学平衡是动态平衡。(2)由温度对化学平衡的影响可知，降低温度使化学平衡向正反应方向移动，则正反应一定是放热反应。由题意知，生成2 mol氨的反应热是46.1 kJ2，即92.2 kJ，则合成氨反应的热化学方程式为N2(g)3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1。(3)升高温度和加入催化剂都能加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)(4)若保持反应容器的体积和反应温度不变，将平衡体系中
21、的混合气体的浓度增大1倍，其效果相当于增大体系的压强，根据压强对化学平衡的影响，可判断上述平衡应该向正反应方向移动。若在平衡体系中加入氦气，氦气不参与反应，由于反应容器的体积和反应温度都不变，氦气的加入只是增大了容器内总的压强，并未改变反应体系的压强，因此氦气的加入对上述平衡没有影响即化学平衡不移动。答案：(1)正、逆反应速率 各反应物和生成物的浓度 正、逆反应 动态(2)放热 N2(g)3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1(3)加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大(4)正反应方向 不金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(
22、配配鲁科版鲁科版)合成氨生产的工艺流程探究1生产流程：制气净化除杂压缩合成冷却分离循环压缩。合成氨生产示意图：金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)2原料气的制备(1)N2 物理方法：将空气液化蒸发分离出N2。由于相对分子质量越大，分子间作用力越大，空气中所含气体的沸点：N2O2CO2H2O(g)，因此，高压下将空气液化后，经减压蒸发，最先得到的是N2，然后还可以得到O2等。此法是目前工业上制取N2和O2的主要方法。工业上的化学方法：用煤在空气中燃烧，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。金品质高追求我们
23、让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)(2)H2 工业上用水蒸气与焦炭在高温下反应，吸收CO2后制得。CH2O(g)COH2COH2O(g)CO2H2工业上也可用碳氢化合物与氧气或水蒸气反应生成CO2和H2，吸收CO2后制得H2。如CH4H2O CO3H2，COH2O CO2H2。3原料气净化、除杂、压缩后通入合成塔。催化剂金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)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，进入接触室与铁触媒接触反应，从塔下口出
24、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。因此，虽然合成氨反应的产率不高，但经过循环反应后，N2和H2可以全部转化为NH3。此外，如果让N2和H2的混合气体，只一次通过合成塔起反应也是很不经济的，应将与NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以有利于合成氨反应。金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)下面是合成氨的简要流程示意图：请回答下列问题：沿X路线回去的物质是_，其体积比为_。金品质高追求我们
25、让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)解析：合成氨的反应是一个可逆反应，所以从合成塔中出来的气体主要是N2、H2和NH3，在冷凝器中NH3因沸点低被冷凝，沿X路线回去的气体是N2和H2，且其体积比为13。因为充入的N2和H2的体积比是13，反应的N2和H2的体积比是13，所以剩余的N2和H2的体积比也是13。答案：N2和H213金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)1.碳酸铵(NH4)2C
26、O3)在室温下就能自发地分解产生氨气，对其说法正确的是()A碳酸铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大B碳酸铵分解是因为外界给予了能量C碳酸铵分解是吸热反应，根据能量判据不能自发分解D碳酸盐都不稳定，都能自发分解解析：碳酸铵自发分解，是因为体系由于氨气的生成而使熵增大。答案：A金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)2有关合成氨工业的说法中，正确的是()A从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C合成氨工业的反应温度控制
27、在500，目的是使化学平衡向正反应方向移动D合成氨厂采用的压强是21075107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)2解析：合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使生产氨的产率都较高，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择500左右的温度，是综合了多方面的因素确定的。因合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，基于此选择了21075107 Pa的高压，催化剂活性最大时的温度是500，故D项错误。答案：B金品质高追求我们让你更放心！返回返回化学化学选选修修(化学反应原理化学反应原理)(配配鲁科版鲁科版)祝您
