专题07 化学反应的调控（教材深度精讲）-【核心素养系列】2023-2024学年高二化学知识整合讲练（人教版2019选择性必修1）

专题07 化学反应的调控（教材深度精讲） 【核心素养分析】 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：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。 【知识导图】 【目标导航】 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。 【重难点精讲】 一、合成氨的反应特点 1．反应原理：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92.4kJ·mol－1 2．反应特点 (1)可逆性：反应为可逆反应； (2)体积变化：正反应为气体体积减小的反应； (3)焓变：ΔH<0； (4)熵变：ΔS<0； (5)自发性：ΔH-TΔS<0，常温下能自发进行。 3．影响合成氨反应的条件 （1）能加快合成氨反应速率的方法有升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等。 （2）能提高平衡混合物中氨的含量的方法有降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。 二、合成氨反应的适宜条件 1.【思考与讨论】p46参考答案： （1）原理分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大 降低 增大 无影响 （2）数据分析 从原理分析和数据分析可知，有以下三方面选择的条件不一致： ①温度变化的效果不一致。升高温度，化学反应速率增大，平衡混合物中氮的含量减小；降低温度，化学反应速率减小，平衡混合物中氨的含量增大。 ②压强变化的效果一致。增大压强，化学反应速率加快，平衡混合物中氮的含量增大；减小压强，化学反应速率减小，平衡混合物中氮的含量减小。 ③使用或不使用催化剂的效果不一致。使用催化剂，化学反应速率增大，平衡混合物中氨的含量不变；不使用催化剂，化学反应速率减小，平衡混合物中氨的含量不变。 2.适宜条件 （1）压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 （2）温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。合成氨反应一般选择400～500℃进行的又一重要原因为铁触媒在500℃左右时的活性最大。 （3）催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 （4）浓度 ①原理分析：在500℃和30MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。 ②采取的措施：合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比；采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。 3.合成氨的工艺流程 三、选择工业合成适宜条件的原则 1、选择化工生产适宜条件的分析角度 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制 2、选择工业合成适宜条件的原则 （1）温度 ①所选温度兼顾反应速率快，产品含量高。 ②尽可能选择催化剂的最大温度。 （2）压强 ①所选压强对反应物转化率的影响变化幅度大。 ②压强不能无限大，防止增大设备成本和动力成本。 （3）催化剂 ①选用催化效率高的催化剂。 ②催化剂对反应有选择性，同一反应物选用不同的催化剂，产物可能不同。 A+BC A+BD ③某些物质能够使催化剂中毒，失去活性。 （4）浓度：原料尽可能循环利用 ①适当增大廉价物质