09第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨（教师用书word）-2022-2023学年新教材高中化学选择性必修1【精讲精练】鲁科版

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 [学习目标] 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．针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析，能讨论化学反应条件的选择和优化。 知识点一　合成氨反应的限度和速率 1．合成氨反应的限度 (1)反应原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 (2)反应特点 (3)影响因素 ①外界条件：__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投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为__1∶3__时平衡混合物中氨的含量最高。 2．合成氨反应的速率 (1)提高合成氨反应速率的方法 (2)浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：__增大__N2或H2的浓度，__减小__NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 [思考探究] 1．合成氨反应的限度 合成氨技术使工业化人工固氮成为现实。已知合成氨反应： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol－1　ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 (1)根据已知条件分析，在298 K时该反应能否正向自发进行？ 提示：298 K时，ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×(－198.2×10－3 kJ·K－1·mol－1)＝－33.14 kJ·mol－1<0，该反应正向能自发进行。 (2)分析合成氨反应的特点有哪些？ 提示：合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小(熵减)的可逆反应。 (3)根据外界条件对化学平衡的影响规律，你认为采取哪些措施有利于氨的生成？ 提示：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 2．合成氨反应的速率 反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)有如下关系：v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)；催化剂对合成氨反应的反应速率影响如表： 条件 Ea/(kJ·mol－1) 无催化剂 335 3.4×1012(700 K) 使用铁催化剂 167 (1)通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率？ 提示：增大反应物浓度、升高温度、增大压强都可以提高反应速率。 (2)根据表格中的数据关系，你能得出哪些结论？ 提示：使用催化剂，可显著降低反应的活化能，由(335 kJ·mol－1)降低到(167 kJ·mol－1)；从＝3.4×1012(700 K)可知，使用催化剂使反应速率提高上万亿倍。 (3)在特定条件下，根据v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。 [归纳总结] 1．根据合成氨反应的特点，从化学反应限度看，有利于氨生成的措施有： (1)降低温度、增大压强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，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 2．根据合成氨反应的特点，从化学反应速率角度看，有利于氨生成的措施有： (1)在特定条件下，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。 (2)温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。 (3)压强：压强越大，反应进行得越快。 (4)使用催化剂，可显著加快反应速率。 即增大反应物浓度、减小生成物浓度、使用合适的催化剂、升高温度，都可增大合成氨反应的反应速率。 1．在合成氨反应中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，都对化学平衡无影响 B．都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 解析　C　对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。 2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是(　　) A．高温　　　　　　　 B．高压 C．使用催化剂 D．增大N2的浓度 解析　B　提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会降低。 知识点二　合成氨