内容正文:
第四节 化学反应的调控
基础课时8 化学反应的调控
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。
一、合成氨反应的限度、速率
1.合成氨反应的特点
合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时:ΔH=-92.4 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·mol-1·K-1。
(1)可逆性:反应为可逆反应。
(2)体积变化:正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变:ΔH<0,熵变:ΔS<0。
(4)自发性:常温(298 K)下,ΔH-TΔS<0,能自发进行。
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件
提高反应速率
提高平衡转化率
压强
高压
高压
温度
高温
低温
催化剂
使用
无影响
浓度
增大反应物浓度
增大反应物浓度,降低生成物浓度
下列有关合成氨工业的说法中,正确的是( )
A.从合成塔出来的混合气体中,其中NH3只占15%,所以合成氨厂的产率都很低
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说合成氨的产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在500 ℃左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨厂采用的压强越大,产率越高,无需考虑设备、条件
B [合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时,原料的转化率并不高,但生成的NH3分离出后,再将未反应的N2、H2循环利用,这样处理后,可使氨的产率较高,A项错误,B项正确;合成氨工业选择500 ℃左右的温度,主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑,合成氨的反应是放热反应,低温才有利于平衡向正反应方向移动,C项错误;不论从反应速率还是化学平衡考虑,高压更有利于合成氨,但压强太大,对设备、动力的要求更高,因此一般选择10 MPa~30 MPa,D项错误。]
二、工业合成氨的适宜条件
1.问题讨论
(1)压强:目前,我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa,不采用更高压强的理由是压强越大,对材料的强度和设备的制造要求越高、需要的动力也越大。
(2)温度:升高温度能提高化学反应速率,但工业合成氨温度不能太高的理由是
①合成氨反应为放热反应,升高温度,转化率降低。
②400~500 ℃催化剂活性最大,升高温度,催化剂活性减弱。
2.工业合成氨的适宜条件
外部条件
工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10 MPa~30 MPa)
温度
适宜温度,400~500 ℃
催化剂
使用铁触媒做催化剂
浓度
N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去
微点拨:工业生产中,必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 (×)
(2)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 (×)
(3)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应,在任何温度下都可自发进行。 (×)
(4)合成氨反应只有在催化剂的条件下才能增加转化率。 (×)
工业上选择适宜生产条件的原则
自1784年发现氨以后,人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨,但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产,经过研究人员的努力,几十年后建造了日产氨1 000吨的大型装置。
[问题1] 工业生产中增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好?为什么?
[提示] 不是。因为温度一定时,增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利,但是,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,目前,我国的合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。
[问题2] 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好?为什么?
[提示] 不是。因为从平衡的角度考虑,合成氨低温有利,但是温度过低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,所以在实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
[问题3] 在合成氨工业中要使用催化剂,既然催化剂对化学平衡的移动没有影响,为什么还要使用呢?使用的催化剂一般是什么?
[提示] 为了加快反应速率。工业合成氨普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。
1.从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。
2.化学反应的调控及分析
外界
条件
有利于加快速率的