2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 学案 2023-2024学年高二上学期化学鲁科版（2019）选择性必修1

2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨

【学习目标】

1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。

2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法,体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。

3.通过对合成氨适宜条件的分析,认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。 

【自主预习】

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·K-1·mol-1。

2.反应特点

3.影响因素

(1)外界条件:　　　　温度、　　　　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　　　　时平衡混合物中氨的含量最高。 

【微点拨】

合成氨反应中,为了提高原料转化率,常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。

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:　　　　N2或H2的浓度,　　　　NH3的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。 

【微点拨】

温度升高k值增加,会加快反应速率;同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能,使合成氨反应的速率提高。

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　　　　和　　　　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　　　　,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　　　　,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

 

3.合成氨的生产流程的三个阶段

【参考答案】一、2.可逆　减小　<　<　<　能　3.(1)降低

增大　(2)1∶3

二、1.升高　增大　增大　催化剂　2.增大　减小

三、1.反应速率　反应限度　转化率　产量　2.700 K

1∶2.8　铁

【效果检测】

1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。

(1)合成氨反应在高温下能自发进行。 (　　)

(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)

(3)合成氨反应中,压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。 (　　)

(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)

【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×

【解析】(1)合成氨反应ΔH<0,ΔS<0,ΔH-TΔS在低温

时小于0。(2)合成氨反应ΔH<0,温度越低越利于平衡正向移动。(4)催化剂能同等倍数改变正、逆反应速率,对转化率无影响。

2.分析合成氨反应的特点有哪些?

【答案】合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小(熵减小)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?

【答案】降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

4.通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率?

【答案】升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速率。在特定条件下,根据关系式v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)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。

【合作探究】

任务　工业合成氨反应的特点及条件选择

情境导入　用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个很艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产,经历了从18世纪末到20世纪初一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展,高温、高压等工业技术条件的改善以及许多研究工作者的反复试验,德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应,终于在1914年实现了合成氨的工业化生产,满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求,因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。

问题生成

1.合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知:298 K时,ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1;合成氨反应的平衡常数K=4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。

【答案】由于ΔH-TΔS=-92.2 kJ·mol-1+298 K×198.2×10-3 kJ·K-1·mol-1<0,故298 K下合成氨反应能自发进行。

2.工业上利用反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨。相同温度下,在体积为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1。

实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:

 

(1)计算容器①中反应物N2的转化率。

【答案】1 mol N2完全反应时放出的热量为92.2 kJ,①中平衡时放出热量a kJ,则反应物N2的转化率为。

　(2)写出容器①中反应的化学平衡常数的计算式。

【答案】　　　　　N2　+　 3H2　2NH3

初始浓度/(mol·L-1)　  1　　　3　　　　　0

转化浓度/(mol·L-1)