(讲义)第2章 第4节 新知探究课13 化学反应条件的优化——工业合成氨-【提分教练】2023-2024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 新知探究课13　化学反应条件的优化——工业合成氨 1．结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。 2．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。 一、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·mol-1·K-1。 2．反应特点 3．影响因素 (1)外界条件：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)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。 　 已知298 K时，N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol-1，ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1, 请通过计算说明298 K时合成氨反应能否正向自发进行？ [答案]　ΔH－TΔS＝－92.2×103 J·mol-1－298 K×(－198.2 J·mol-1·K-1)＝-92.2×103 J·mol-1+59 063.6 J·mol-1＝－33 136.4 J·mol-1＜ 0, 即298 K时合成氨反应能正向自发进行。 二、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。 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。 (　　) (2)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。 (　　) (3)加入催化剂，对合成氨的正、逆反应的反应速率影响程度相同。 (　　) [答案]　(1)×　(2)√　(3)√ 三、合成氨生产的适宜条件 1．合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从反应速率和反应限度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。 2．合成氨的适宜条件 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在700 K左右 2 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 3.合成氨生产流程的三阶段 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低。 (　　) (2)合成氨厂采用的压强是2×107～3×107 Pa，因在该压强下铁催化剂的活性最大。 (　　) [答案]　(1)×　(2)× 工业生产中选择适宜生产条件的原则 数据分析：外界条件对合成氨反应的影响 温度 /℃ 氨的含量/% 0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4 1．压强一定时，升高温度，对氨的合成有何影响？ 提示：氨的含量降低；这与反应速率是相矛盾的。 2．温度一定时，增大压强，对氨的合成有何影响？ 提示：氨的含量增大；这与反应速率是相一致的。 3．已知：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol-1，K＝6.6×105(mol·L-1)-2，思考： (1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？ (2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。 提示：(1)为了加快化学反应的速率，提高单位时间内NH3的产量。 (2)在此温度时，催化剂的活性最大。 1．工业生产中选择适宜生产条件的原则：根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 2．工业生产中选择适宜生产条件的具体分析 外界 条件 有利于加快反应速率的条