第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨(Word教参)-【优化指导】2022-2023学年新教材高中化学选择性必修1（鲁科版2019）

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 课程标准要求 学业质量水平 1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。 2．知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。 3．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。 1．能结合生产和生活中的实际问题情境说明化学变化中能量转化、调控反应条件等的重要应用。(水平3) 2．能运用化学原理和方法解释或解决生产、生活中与化学相关的一些实际问题。(水平3) 3．能从调控反应速率、提高反应转化率等方面综合分析反应的条件，提出有效控制反应条件的措施。(水平4) 一、合成氨反应的限度 　工业合成氨反应的热化学方程式为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ/mol。 1．反应特点 合成氨反应是在298 K、101 kPa时能正向自发进行的放热反应，同时也是气体的物质的量减小的熵减反应。 2．提高平衡混合物中氨的含量 (1)降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 (2)在一定的温度和压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨反应的速率 1．浓度的影响 (1)在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为：v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)。 (2)反应过程中，随着c(NH3)增大，反应速率会逐渐降低，为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时，将NH3从混合气中分离出去。 2．催化剂的影响 使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，因此使用适宜催化剂是最有效的途径。 3．温度的影响 其他条件一定时，温度越高，反应进行的越快。 三、合成氨生产的适宜条件 1．合成氨生产条件的选择 选择合成氨生产的条件时，要综合考虑反应速率、转化率及原料的价格、未转化的合成气(N2和H2)的循环使用、反应热的综合利用等问题。 2．目前合成氨生产的条件 (1)合成氨生产一般选择铁做催化剂，控制反应温度在700 K左右。 (2)根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压(1×107Pa)、中压(2×107Pa～3×107Pa)和高压(8.5×107～1×108Pa)三种类型。 (3)通常采用氮气与氢气物质的量之比为1∶2.8的投料比。在中压工艺条件下，合成氨厂出口气中氨含量一般为13%～14%。 巧判断(对的打“√”，错的打“×”) (1)化工生产中粉碎固体、加热、增大浓度、使用催化剂等均能提高反应速率(　√　) (2)合成氨反应中，温度越高，反应速率越快，平衡转化率越高(　×　) (3)合成氨工业中，使用催化剂，可提高反应物的活化能，从而加快反应速率(　×　) (4)液化并分离反应生成的NH3，可使平衡向生成氨的方向移动，提高氨的产率(　√　) (5)目前合成氨生产中控制反应温度在700K左右，其目的是使铁催化剂的活性最大(　√　) 学习任务　化学反应条件的优化——工业合成氨 阅读教材P76～80，结合合成氨反应原理“N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ/mol”，交流讨论。 1．压强对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 提示　压强越大，合成氨反应速率越快，平衡混合气中NH3含量越高；合成氨实际生产中还要考虑压强对材料和设备的要求、综合经济效益。 2．温度对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中怎样解决出现的矛盾？ 提示　温度越高，合成氨反应速率越快，平衡混合气中NH3含量越低；合成氨实际生产中要选择适宜的温度，既要求反应速率快，还要求平衡混合气中NH3含量较高。 3．催化剂对合成氨反应速率有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 提示　催化剂的使用，可加快合成氨反应速率；合成氨实际生产中还要考虑催化剂的活性、防止催化剂中毒等。 4．浓度对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 提示　浓度越大，合成氨反应速率越高，但平衡混合气中NH3含量降低；合成氨实际生产中及时分离NH3，并对原料气进行循环利用。 1．合成氨工业中生产条件的控制 2．化学反应的调控 1．“丁烯裂解法”是一种重要的丙烯生产方法，在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下： 主反应：3C4H8(g) 4C3H6(g)； 副反应：C4H8(g)2C2H4(g)。 测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(ω)随温度(t)和压强(p)变化的趋势分别如图1和图2所示： (1)平衡体系中的C3H6(g)和C2H4(g)的质量比是工业生