第2章 第4节 化学反应条件的优化-工业合成氨（课件PPT）-【金榜题名】2025-2026学年高二化学选择性必修1高中同步学案（鲁科版）

该高中化学课件聚焦工业合成氨，核心知识点涵盖反应限度、速率及适宜条件优化。课堂通过“思考探究”问题导入，如分析反应自发性、特点，连接化学反应方向、平衡移动原理，搭建从理论到工业应用的学习支架。 资料亮点在于融合“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”，通过速率方程分析、平衡转化率计算模型，结合工业流程（造气、净化、合成）及400-500℃、20-30MPa等参数实例，培养学生解决实际问题能力。教师可借助系统例题和检测题提升教学效率，学生能深化理论与实践的联系。

第二章　化学反应的方向、限度与速率 第四节　化学反应条件的优化——工业合成氨 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 目录 contents Part 01 夯基固本 新知探究 Part 02 检测效果 素养提升 Part 03 课时作业 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 夯基固体 新知探究 返回导航 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 可逆 减小 ＜ ＜ ＜ 能 降低 增大 1∶3 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 增大 升高 增大 催化剂 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 增大 减小 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 反应速率 反应限度 转化率 产量 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 检测效果 素养提升 返回导航 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 课时作业（十四） 点击进入 word 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 谢谢观看 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 学习目标 核心素养 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.针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析，能讨论化学反应条件的选择和优化。 1.变化观念与平衡思想：能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题。2.证据推理与模型认知：建立认知模型，并能运用模型解释化学现象。3.科学态度与社会责任：具有节约资源、保护环境的可持续发展意识，能对与化学有关的问题作出正确的价值判断。 知识点一　合成氨反应的限度和速率 1．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。 2．合成氮反应的速率 (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。 [思考探究] 1．合成氨反应的限度 合成氨技术使工业化人工固氮成为现实。已知合成氨反应： N2(g)＋3H2(g) ⥫⥬2NH3(g)　298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol-1　ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1。 (1)根据已知条件分析，在298 K时该反应能否正向自发进行？ (2)分析合成氨反应的特点有哪些？ (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？ 提示：(1)298 K时，ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol-1－298 K×(－198.2×10-3 kJ·mol-1·K-1)＝－33.14 kJ·mol-1<0，该反应正向能自发进行。 (2)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)的可逆反应。 (3)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．合成氨反应的速率 反应N2(g)＋3H2(g) ⥫⥬2NH3(g)有如下关系： v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)；催化剂对合成氨反应的反应速率影响如表： 条件 Ea/(kJ·mol-1) eq \f(k（催）,k（无）) 无催化剂 335 3.4×1012(700 K) 使用铁催化剂 167 (1)通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率？ (2)根据表格中的数据关系，你能得出哪些结论？ (3)在特定条件下，根据v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，由关系式可知，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。 提示：(1)增大反应物浓度、升高温度、增大压强都可以提高反应速率。 (2)使用催化剂，可显著降低反应的活化能，由(335 kJ·mol-1)降低到(167 kJ·mol-1)；从 eq \f(k（催）,k（无）)＝3.4×1012 (700 K)可知，使用催化剂使反应速率提高上万亿倍。 1．根据合成氨反应的特点，从化学反应限度看，有利于氨生成的措施有： (1)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)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 2．根据合成氨反应的特点，从化学反应速率角度看，有利于氨生成的措施有： (1)在特定条件下，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。 (2)温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。 (3)压强：压强越大，反应进行得越快。 (4)使用催化剂，可显著加快反应速率。 即增大反应物浓度、减小生成物浓度、使用合适的催化剂、升高温度，都可增大合成氨反应的反应速率。 [典例1]　 在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是(　　) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C. 采用500 ℃左右的温度 D．采用2×107～5×107Pa的压强 [答案]　BC 1．合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为： CO(g)＋H2O(g) ⥫⥬CO2(g)＋H2(g)(正反应放热)，能提高CO转化率的是(　　) A．增大压强　　　　　　B．降低温度 C．增大水蒸气浓度 D．增大CO浓度 答案：BC 知识点二　合成氨反应的适宜条件 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 外界 条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果 浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断的补充反应物、及时地分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂 温度 △H＜0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 △H＞0 高温 在设备条件允许的前提下，兼顾催化剂活性，选择合适的温度 压强 高压(有气体参加) △v(g)＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 △v(g)＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 3.合成氨的生产流程的三阶段 [思考探究] 1．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主要原因是什么？ 提示：温度太高，催化剂活性减弱。 2．增大压强能提高化学反应速率，但工业合成氨压强是否越大越好？主要原因是什么？ 提示：不是，因为压强越大对设备要求更苛刻，生产成本会大幅提升。 3．合成氨反应适宜条件的选择依据是什么？请列表从提高平衡转化率和提高化学反应速率的角度进行对比。 提示：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。 提高反应的平衡转化率 提高化学反应速率 性质 措施 性质 措施 放热 低温 活化能高 使用合适的催化剂 分子数减小 高压 低温时反应速率低 高温 反应可逆 原料循环利 原料气浓度增大能提高反应速率 增大原料气浓度 —— —— 氨气浓度增加能降低反 应速率分离氨 1．化工生产适宜条件选择的一般原则 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.合成氨生产的工艺流程 生产流程：制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩。 合成氨生产示意图： 3．合成氨工业中生产条件的控制 [典例2]　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，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700 K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，无须考虑设备、条件 [解析]　合成氨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，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，故D项错误。 [答案]　B 2．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是(　　) A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨反应 C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨反应 D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 解析：选B　催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。 [课堂检测] 1．下图为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是(　　) A．步骤①中“净化”可以防止催化剂“中毒” B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率 C．步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 D．液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂 解析：选C　步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应是气体分子数减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移动，即可提高原料转化率，增大压强，可以使反应物浓度增大，则可增大反应速率，B项正确；步骤③为“催化反应”，催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转化率，升高温度降低了原料的转化率，C项错误；氨是制备氮肥的原料，液氨汽化时吸收热量，可以作为制冷剂，D项正确。 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) ⥫⥬CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu－Zn－Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应一定是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 解析：选B　使用催化剂可加快反应速率，从而提高生产效率，A项正确；加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，B项错误；充入大量CO2气体可使平衡正向移动，提高H2的转化率，C项正确；从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可促使平衡正向移动，从而提高CO2和H2的利用率，D项正确。 3．在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是(　　) A．加入催化剂　　　B．增大H2的浓度 C．升高温度 D．增大NH3的浓度 解析：选D　加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度速率减慢。 4．将物质的量之比为1∶3的氮气和氢气充入恒容密闭容器中，测定不同温度、压强下平衡混合物中氨的物质的量分数，结果如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．P1<P2 B．该反应ΔH<0 C．a点，N2的转化率为40% D．合成氨工业实现了人工固氮 解析：选C　根据氮气与氢气的反应方程式，反应前后气体分子数发生改变，温度相同，压强增大，平衡正向移动，氨的物质的量分数增大，所以根据图可知，P1<P2，A正确；根据图可知，温度升高，氨的物质的量分数减小，所以该反应的正反应为放热反应，ΔH<0，B正确；a点，NH3的物质的量分数为80%，则设开始投的氮气的物质的量为1 mol，氢气的物质的量为3 mol，转化的氮气为x mol，根据三段式： N2(g)＋3H2(g) ⥫⥬2NH3(g) 始　1 mol　　3 mol　　　0 5.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(　　) A．提高分离技术 B．研制耐高压的合成塔 C.研制低温催化剂 D．探索不用N2和H2合成氨的新途径 解析：选C　由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。 6．(素养题)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) eq \o(========,\s\up15(催化剂),\s\do15(△))2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol-1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)： 压强转化率温度 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% (1) 根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是__________________________ (2) 实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，其原因是__________________________ (3) 实际生产中，采用的压强为常压，其原因是__________________________ (4) 在生产中，通入过量空气的目的是__________________________ (5)尾气中有SO2必须回收是为了__________________________ 答案：(1)常压、450 ℃、催化剂 (2)在此温度下催化剂的活性最高 (3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失 (4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率 (5)防止污染环境 $$