第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（鲁科版2019）

化学反应的方向、限度与速率 第2章 第4节　化学反应条件的优化 ——工业合成氨 课程标准要求 学业质量水平 1．认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。 2．知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义。 3．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，能讨论化学反应条件的选择和优化。 1．能结合生产和生活中的实际问题情境说明化学变化中能量转化、调控反应条件等的重要应用。(水平3) 2．能运用化学原理和方法解释或解决生产、生活中与化学相关的一些实际问题。(水平3) 3．能从调控反应速率、提高反应转化率等方面综合分析反应的条件，提出有效控制反应条件的措施。(水平4) 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 栏目索引 课前预习案 课堂探究案 冲关演练案 课前预习案 放热　 熵减　 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 2．提高平衡混合物中氨的含量 (1)________温度、________压强将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，反应物氮气、氢气的体积比为________时平衡混合物中氨的含量最高。 二、合成氨反应的速率 1．浓度的影响 (1)在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为：v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)。 (2)反应过程中，随着c(NH3)增大，反应速率会逐渐________，为保持足够高的反应速率，应在反应达到一定转化率时，将_______从混合气中分离出去。 降低　 增大　 1∶3　 降低　 NH3　 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 2．催化剂的影响 使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍，因此使用适宜催化剂是最有效的途径。 3．温度的影响 其他条件一定时，温度越高，反应进行的________。 越快　 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 三、合成氨生产的适宜条件 1．合成氨生产条件的选择 选择合成氨生产的条件时，要综合考虑反应________、__________及原料的价格、未转化的合成气(N2和H2)的____________、反应热的综合利用等问题。 2．目前合成氨生产的条件 (1)合成氨生产一般选择______做催化剂，控制反应温度在__________左右。 (2)根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压(1×107Pa)、中压(2×107Pa～3×107Pa)和高压(8.5×107～1×108Pa)三种类型。 (3)通常采用氮气与氢气物质的量之比为__________的投料比。在中压工艺条件下，合成氨厂出口气中氨含量一般为______________。 速率　 转化率　 循环使用　 铁　 700 K　 1∶2.8　 13%～14%　 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 巧判断(对的打“√”，错的打“×”) (1)化工生产中粉碎固体、加热、增大浓度、使用催化剂等均能提高反应速率 (　　) (2)合成氨反应中，温度越高，反应速率越快，平衡转化率越高(　　) (3)合成氨工业中，使用催化剂，可提高反应物的活化能，从而加快反应速率 (　　) (4)液化并分离反应生成的NH3，可使平衡向生成氨的方向移动，提高氨的产率 (　　) (5)目前合成氨生产中控制反应温度在700K左右，其目的是使铁催化剂的活性最大(　　) √　 × 　 × 　 √　 √　 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 学习任务　化学反应条件的优化——工业合成氨 提示　压强越大，合成氨反应速率越快，平衡混合气中NH3含量越高；合成氨实际生产中还要考虑压强对材料和设备的要求、综合经济效益。 课堂探究案 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 2．温度对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中怎样解决出现的矛盾？ 提示　温度越高，合成氨反应速率越快，平衡混合气中NH3含量越低；合成氨实际生产中要选择适宜的温度，既要求反应速率快，还要求平衡混合气中NH3含量较高。 3．催化剂对合成氨反应速率有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 提示　催化剂的使用，可加快合成氨反应速率；合成氨实际生产中还要考虑催化剂的活性、防止催化剂中毒等。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 4．浓度对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 提示　浓度越大，合成氨反应速率越高，但平衡混合气中NH3含量降低；合成氨实际生产中及时分离NH3，并对原料气进行循环利用。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 1．合成氨工业中生产条件的控制 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 2．化学反应的调控 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (1)平衡体系中的C3H6(g)和C2H4(g)的质量比是工业生产C3H6(g)时选择反应条件的重要依据之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，据图1和图2判断，反应条件应选择下列中的________(填序号)。 A．300℃、0.1 MPa　　 B．700℃、0.1 MPa C．300℃、0.5 MPa　　 D．700℃、0.5 MPa (2)有研究者结合图1数据并综合考虑各种因素，认为450℃的反应温度比300℃或700℃更合适，从反应原理角度分析其理由可能是_________________________。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 解析　(1)由图1可知，300℃时C2H4(g)的质量分数接近于0，而温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，故选择300℃；由图2可知，压强增大，C2H4(g)的质量分数减小，C3H6(g)的质量分数增大，故选0.5 MPa，因此控制反应条件是300℃、0.5 MPa。 (2)温度越低，反应速率越慢，300℃反应速率慢；由图1可知，温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，700℃的副反应转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率。450℃时，C3H6(g)的质量分数达最大值，且C2H4(g)的质量分数在10%左右，产物中C3H6(g)的含量较高，故可以选择450℃。 答案　(1)C (2)300℃反应速率慢，700℃的副反应转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460℃。低于460℃时，丙烯腈的产率______(填“是”或“不是”) 对应温度下的平衡产率，判断理由是______________________________________________________；高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。 A．催化剂活性降低　　 B．平衡常数变大 C．副反应增多　　 D．反应活化能增大 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为________，理由是_____________________________________。 进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 解析　(1)因为生成丙烯腈和丙烯醛的反应均为放热量较大的反应，所以在热力学上趋势均很大；反应①为气体体积增大的放热反应，低温、低压均有利于提高丙烯腈的平衡产率；使用合适的催化剂可以提高丙烯腈反应的选择性。 (2)该反应是放热反应，温度升高平衡产率应降低，而低于460 ℃时产率随温度的升高而增大，说明在此时反应平衡尚未建立，对应温度下的产率不是平衡产率。催化剂在一定的温度范围内活性较高，高于460 ℃时，催化剂活性降低，丙烯腈产率降低，A正确；反应①是放热反应，温度升高平衡左移，平衡常数变小，丙烯腈产率降低，B错误；温度升高，副反应增多，导致丙烯腈的产率降低，C正确；反应活化能的大小不影响平衡，D错误。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 答案　(1)两个反应均为放热量大的反应　 低温、低压　　 催化剂 (2)不是　该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低　AC (3)1.0　该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低　 1∶7.5∶1 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 谢谢观看！ 一、合成氨反应的限度 　工业合成氨反应的热化学方程式为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ/mol。 1．反应特点 合成氨反应是在298 K、101 kPa时能正向自发进行的________反应，同时也是气体的物质的量减小的________反应。 阅读教材P76～80，结合合成氨反应原理“N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ/mol”，交流讨论。 1．压强对合成氨反应速率和平衡混合气中NH3含量有什么影响？合成氨实际生产中还要考虑哪些因素？ 1．“丁烯裂解法”是一种重要的丙烯生产方法，在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下： 主反应：3C4H8(g) eq \o(,\s\up15(催化剂),\s\do1())4C3H6(g)； 副反应：C4H8(g)eq \o(,\s\up15(催化剂),\s\do1())2C2H4(g)。 测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(ω)随温度(t)和压强(p)变化的趋势分别如图1和图2所示： 2．(2016·全国卷Ⅱ)丙烯腈(CH2＝CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2＝CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题： (1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下： ①C3H6(g)＋NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ/mol ②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g) 　ΔH＝－353 kJ/mol 两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是____________________________；有利于提高丙烯腈产率的反应条件是________________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是__________。 (3)根据图b可知，当eq \f(n氨,n丙烯)≈1.0时，丙烯腈的产率最高，而丙烯醛的产率最低，故1.0是最佳比值。根据化学反应：C3H6(g)＋NH3(g)＋eq \f(3,2)O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)，氨气、氧气、丙烯按1∶1.5∶1的初始体积比加入反应达到最佳状态，而空气中氧气约占eq \f(1,5)，所以进料氨、空气、丙烯的理论体积比约为1∶7.5∶1。 $$