2019-2020版化学同步新导学案鲁科选修4(课件 讲义 精练）：第2章第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 (共2份打包)

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 [核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 一、合成氨反应的限度、速率 1．合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol－1， ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。 (1)可逆性：反应为可逆反应。 (2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。 (3)焓变：ΔH<0，熵变ΔS<0。 (4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度 特别提示 投料比：温度、压强一定时，N2与H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高；根据在特定条件下，v＝kc(N2)c1.5(H2)·c－1(NH3)，考虑到催化剂的实际效果，适当提高N2的比例，当N2与H2的物质的量之比为1∶2.8时更能加快合成氨反应的进行。 例1　可逆反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)　ΔH<0，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，减小压强，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 答案　D 解析　要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。 考点　合成氨反应限度、速率分析 题点　增大合成氨反应限度的措施 例2　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 答案　C 解析　对于化学反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。 考点　合成氨反应限度、速率分析 题点　增大合成氨反应限度和速率的措施 二、工业合成氨的适宜条件 1．合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从反应限度和反应速率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转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。 2．工业合成氨的适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(1×107～1×108Pa) 温度 适宜温度，700_K左右 催化剂 使用铁触媒做催化剂 浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去 3.问题讨论 (1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在1×107～1×108 Pa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强时应符合实际科学技术。 (2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是 ①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。 ②700_K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。 例3　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 答案　B 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。 考点　工业合成氨适宜条件的选择 题点　工业合成氨适宜条件的理论解释 合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的