第2章 第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修1 化学反应原理【导与练】高中同步全程学习word（鲁科版）山东专用
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
课程目标展示 | 素养目标达成 |
1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2.知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。 | 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:通过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,体会控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 |
学习任务 合成氨反应工业生产条件的优化选择
NO.1 自主学习·夯实基础
1.合成氨反应的特点:反应可逆、正反应是放热反应、正反应熵减小。
2.合成氨反应的热力学数据
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
已知在298 K时:
ΔH=-92.2 kJ·mol-1;ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1;ΔG=ΔH-TΔS≈-33.1 kJ·mol-1;平衡常数K=4.1×106。
3.合成氨动力学数据
在特定条件下,合成氨速率方程v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)。Ea(无催化剂)=335 kJ·mol-1;Ea(铁催化剂)=167 kJ·mol-1;无催化剂时速率常数k=9.86×1
;
=3.4×1012(700 K)。
微点拨: 热力学数据主要解决反应的自发性、反应的限度问题;动力学数据可以解决反应快慢(即反应速率)问题。
NO.2 互动探究·提升能力
19世纪以前,农业生产所需氮肥的来源,主要是有机物的副产物和动植物的废物等。德国的化学家哈伯(Haber)和他的学生采用极高昂成本且易爆炸的锇作为催化剂第一次人工用N2、H2合成了氨气。德国化学家博施(Bosch)继续哈伯的研究,发明了以铁为主的廉价、安全、高效催化剂,并建立了世界第一座合成氨工厂。
探究 合成氨反应的自发性、反应限度、反应速率
问题1:根据“NO.1”中合成氨热力学数据分析,合成氨的自发性如何?反应限度如何?
提示:298 K时,该反应ΔG<0,所以是自发的,无需借助电或光。反应平衡常数K>105,理论上几乎能进行到底。
问题2:从该反应的速率常数看,此反应快慢情况如何?如何加快此反应速率?
提示:反应速率常数非常小,因此反应非常慢。升温,提高速率常数k,可以加快反应;从速率方程看提高氮气、氢气浓度(加压压缩)可以加快反应;选取高效催化剂也可以加快反应。
问题3:通过研究,合成氨反应历程中的“决速步骤”是N2在催化剂表面的吸附分解,据此思考如何提高总反应速率?
提示:适当提高N2浓度,使“决速步骤”快一些,可以提高总反应速率。
工业合成氨的适宜条件
合成氨从平衡常数看出反应限度非常高,该反应主要问题是反应速率太慢,所以合成氨工业生产条件优化选择的关键是提高反应速率。
(1)压强:压强越大合成氨反应速率越快,平衡转化率越大,所以理论上讲压强越高越好,但是高压对容器耐压要求高,制造耐压容器成本高,所以采取什么样的压强要综合考虑反应器耐压及工厂经济条件。
命题解密与解题指导
情境解读:甲醛重要的工业价值。
素养立意:通过甲醛生产工艺条件优化选择,培养科学态度与社会责任素养。
思维建模:化工生产主要追求经济效益,所以在进行工业生产条件优化选择时应该在经济效益前提下考虑采取哪些条件调控平衡及速率。另外随着现代社会人们对生存环境健康、绿色的要求提高,绿色生产、低污染也是非常重要的考虑视角。