2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨-2021-2022学年高二化学【步步高】学习笔记（鲁科版2019选择性必修1）鲁琼word

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 【课程标准要求】　 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。 一、合成氨反应的原理分析 1.合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。 (1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 (2)可逆性：反应为可逆反应。 (3)体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 (4)焓变：ΔH<0，是放热反应。 2．原理分析 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低反应产物浓度 【微自测】 1．下列描述中，正确的画“√”，错误的画“×” (1)在合成氨的实际生产中，温度越低，压强越大越好(×) (2)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转化率(×) (3)催化剂在合成氨中质量没有改变，因此催化剂没有参与反应(×) (4)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨气的产率(√) (5)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的(×) (6)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行(×) 二、工业合成氨的适宜条件 1.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 1×107～1×108 MPa 温度 700 K左右 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8；氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 2.选择工业合成氨适宜条件的原则 (1)考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。 (2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。 (3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。 (4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 【微自测】 2．下列描述中，正确的画“√”，错误的画“×” (1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的N2越多越好(×) (2)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率(√) (3)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(×) (4)合成氨反应选择在700 K左右进行的重要原因是催化剂在700 K左右时的活性最大(√) 一、工业合成氨适宜条件的分析 —————【活动探究】—————— 下表中的数据是在不同温度、压强下，合成氨反应达到平衡时，反应混合物中氨含量的变化情况： 温度 /℃ 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 1．压强对工业合成氨的影响如下图所示： 400 ℃下平衡时氨的体积分数随压强的变化示意图 (1)压强对合成氨的反应速率和原料的转化率有何影响？ 提示：增大压强能增大合成氨的反应速率，使合成氨的平衡正向移动，能提高原料的转化率和平衡混合物中氨的体积分数。 (2)合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？ 提示：不是；因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强增大需要的动力越大，对材料的强度和设备制造要求提高，增加了生产投资、降低了综合经济效益。 (3)依据上述材料中的数据判断，合成氨工业采用的压强是多少？ 提示：10～30 MPa或1×107～3×107 Pa。 2．温度对工业合成氨的影响如下图所示： 10 MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图 (1)温度对合成氨的反应速率和原料的转化率有何影响？ 提示：升高温度能加快合成氨的反应速率，但升高温度能使合成氨的平衡逆向移动，降低了反应物的转化率和平衡混合气体中的氨的体积分数。 (2)降低温度有利于平衡向生成氨的