第2章 第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨（课件）-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修1【导与练】高中同步全程学习（鲁科版）

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 化学 学习目标导航 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。 化学 任务分项突破 学科素养测评 课堂小结提升 化学 任务分项突破 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。 学习任务　合成氨反应工业生产条件的优化选择 化学 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。 化学 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。 化学 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。 化学 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。 (2)温度:从平衡角度考虑,该反应正反应属于放热反应,所以升温会降低平衡转化率,不利于提高反应限度,但从反应速率考虑,升温有利于加快反应速率,最终综合考虑催化剂活性在700 K左右最高,所以选择700 K左右。 (3)催化剂:选择铁做催化剂,高效、廉价。 (4)浓度:N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比,N2稍过量,即适当提高氮气浓度有利于提高反应速率,同时氨及时从混合气中分离出去能提高反应限度。 凝练素养:通过探究合成氨反应条件优化选择,培养学生变化观念与平衡思想素养。 归纳拓展 化学 NO.3　应用体验·形成素养 题点　工业生产中化学反应条件优化选择 A.温度为25 ℃,压强为50 kPa B.温度为25 ℃,压强为101 kPa C.温度为500 ℃,压强为1 000 kPa D.温度为800 ℃,压强为250 kPa D 化学 解析:对于制备水煤气反应,反应物气态物质化学式前系数之和小于生成物气态物质化学式前系数之和,则增大压强,平衡逆向移动,正反应为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,则工业生产水煤气可在高温下进行,排除A、B,而C、D相比较,D压强较小,有利于平衡正向移动。 化学 解析:合成氨正反应放热,温度越高反应速率越快,但氨气的产率越低,该反应选择400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大,A正确;在工业生产条件优化时,不但要考虑经济性,还要考虑环保,B错误;工业合成氨的反应ΔH<0、ΔS<0,温度较低时,ΔH-TΔS<0,反应可自发进行,高温时可能会ΔH-TΔS>0,使反应不能自发进行,C错误;理论上氮气越多越好,但充入过多的氮气会造成压强过大,对设备的强度要求更高,而且会影响到产物中氨气的分离,所以充入的氮气要有一定的限度,D错误。 2.(2020·安徽黄山期中)下列说法中正确的是(　 　) A.合成氨反应选择在400～500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大 B.在工业生产条件优化时,只考虑经济性就行,不用考虑环保 C.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 D.在合成氨中