【課件】化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨

1、第二章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率第二章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率第四節(jié)第四節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨知識(shí)點(diǎn)一知識(shí)點(diǎn)一 合成氨反應(yīng)的限度合成氨反應(yīng)的限度 欄目鏈接1分析合成氨反應(yīng)的自發(fā)性。已知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1S198.2 JK1mol1在298 K 時(shí)，HTS92.2 kJmol1298 K(198.2103)kJK1mol133.1 kJmol10故該反應(yīng)在298 K時(shí)能自發(fā)進(jìn)行。 欄目鏈接2合成氨的條件。該反應(yīng)是正反應(yīng)體積減小、放熱、熵減的可逆反應(yīng)，由化學(xué)平衡移動(dòng)原理及影響平衡移動(dòng)的條件知，合成氨的理想條件是：低

2、溫、高壓。實(shí)驗(yàn)表明：在一定的溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)物N2、H2的體積比為1 3時(shí)，平衡混合物中氨的含量最高。 欄目鏈接例1保持溫度、壓強(qiáng)不變，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移動(dòng)的是() A恒溫、恒壓時(shí)，充入NH3 B恒溫、恒容時(shí)，充入N2 C恒溫、恒壓時(shí)，充入He D恒溫、恒容時(shí)，充入He 欄目鏈接解析：本題考查濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響。在恒溫、恒壓時(shí)，向平衡體系中加入NH3，體系體積增大，由于加入的物質(zhì)是生成物，實(shí)際上是等于減少了反應(yīng)物的濃度(反應(yīng)物的體積變大，而物質(zhì)的量沒變)，此時(shí)，正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡向左移，故A將發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒容時(shí)，充入N2使容器內(nèi)壓強(qiáng)增大。

3、由于整個(gè)體系的體積不變，所以加入N2后，反應(yīng)物N2的濃度增大，所以平衡向右移動(dòng)。 欄目鏈接故B發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒壓時(shí)，加入He，使整個(gè)體系做等壓膨脹，體積變大，He雖然不參與化學(xué)反應(yīng)，但由于體積的膨脹，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的濃度都相應(yīng)減小，結(jié)果，反應(yīng)物濃度減小的程度比生成物濃度減小的程度大，此時(shí)正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡左移，故C發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒容時(shí)，向體系中加入He，使整個(gè)體系壓強(qiáng)增大，但由 欄目鏈接于He不參與反應(yīng)，對(duì)于參加反應(yīng)的物質(zhì)而言，它們的物質(zhì)的量和體積都沒有變化，所以濃度沒變，故D平衡不發(fā)生移動(dòng)。答案：D 欄目鏈接變式訓(xùn)練1可逆反應(yīng)3H2(g)N2(g)2

4、NH3(g)H0達(dá)到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項(xiàng)中采用的三種方法都正確的是(D)A升高溫度，降低壓強(qiáng)，增加氮?dú)釨降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑 C升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)?D降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨 欄目鏈接解析：本題旨在考查影響化學(xué)平衡的外界因素的應(yīng)用與分析。題目要求增大合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率，就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應(yīng)的其他條件，使更多的氫氣轉(zhuǎn)化為氨。從化學(xué)平衡分析也就是使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。先分析溫度的影響，合成氨是放熱反應(yīng)，從理論上分析應(yīng)采用盡可能低的溫度，選項(xiàng)A、C中升高溫度是錯(cuò)誤的。合成氨反應(yīng)前后都是氣體物質(zhì)，反應(yīng)前氣體體積比反應(yīng)后氣體體積

5、更大，所以增大壓強(qiáng) 欄目鏈接會(huì)使平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)方向移動(dòng)，選項(xiàng)A是錯(cuò)誤的，其他選項(xiàng)中增大壓強(qiáng)是正確的。有關(guān)濃度的影響，增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度，會(huì)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，在合成氨反應(yīng)中增加氮?dú)夂蜏p少(分離出)氨可以使反應(yīng)向正方向移動(dòng)。加入催化劑可加快反應(yīng)，但對(duì)平衡移動(dòng)無影響，選項(xiàng)B是錯(cuò)誤的。知識(shí)點(diǎn)二知識(shí)點(diǎn)二 合成氨的反應(yīng)速率合成氨的反應(yīng)速率 欄目鏈接1由平衡移動(dòng)的原理可知，合成氨要在高壓和低溫下才能得到較高的產(chǎn)率。但是高壓條件對(duì)設(shè)備的要求高，而反應(yīng)溫度的降低勢(shì)必延長(zhǎng)達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，致使生產(chǎn)效率降低，失去了工業(yè)生產(chǎn)的意義。因此在尋找最佳的生產(chǎn)條件時(shí)，除了考慮反應(yīng)

6、的限度外，還需要研究哪些措施可以用來提高化學(xué)反應(yīng)速率。 欄目鏈接2增大反應(yīng)速率的方法：可以采用升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物N2(或H2)的濃度及使用催化劑等措施來提高合成NH3的反應(yīng)速率。 3 濃 度 對(duì) 化 學(xué) 反 應(yīng) 速 率 的 影 響 ： 從 v kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，在一定的溫度、壓強(qiáng)下，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度c(N2)或c1.5(H2)成正比關(guān)系，與生成物濃度c(NH3)成反比關(guān)系。因此可以采用增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度來提高化學(xué)反應(yīng)速率。 欄目鏈接4催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響：加催化劑可以使反應(yīng)的活化能從335 kJmol1降低為167 kJmol1

7、， =3.41012(700 K)表明，使用催化劑后可以使合成氨的反應(yīng)速率提高上萬億倍，因?yàn)榇呋瘎└淖兞朔磻?yīng)的歷程，降低了反應(yīng)所需的活化能，增大了反應(yīng)速率常數(shù)，大大提高了化學(xué)反應(yīng)速率。 結(jié)論：從化學(xué)反應(yīng)速率理論方面分析，增大反應(yīng)物濃度、使用合適的催化劑、增大壓強(qiáng)及升高溫度都可以增大合成氨的反應(yīng)速率。 欄目鏈接例2對(duì)于合成氨的反應(yīng)來說，使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是() A都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無影響 B都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間 C都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響 D催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而壓強(qiáng)無此

8、作用 欄目鏈接解析：本題考查運(yùn)用平衡移動(dòng)原理及化學(xué)反應(yīng)速率理論來解決問題的實(shí)際應(yīng)用能力。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)：N2 (g)3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能降低反應(yīng)所需活化能，增大反應(yīng)速率常數(shù)，提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。高壓能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。答案：C 欄目鏈接變式訓(xùn)練2工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用700 K左右的溫度，其原因是(D)提高合成氨的速率提高氨氣的轉(zhuǎn)化率提高氨的產(chǎn)率催化劑在700 K時(shí)活性最大A只有BCD解析：從反應(yīng)速率考慮，溫度越高，速率越快；但在合成氨中溫度在700 K左右時(shí)，催化劑活

9、性最好，更有利于提高合成氨的反應(yīng)速率。知識(shí)點(diǎn)三知識(shí)點(diǎn)三 合成氨適應(yīng)條件合成氨適應(yīng)條件 欄目鏈接1化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化?；瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域起著重要的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)運(yùn)用對(duì)立統(tǒng)一的規(guī)律，綜合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，既考慮反應(yīng)的快慢(反應(yīng)速率的大小)，又考慮反應(yīng)進(jìn)行的程度(化學(xué)平衡)。 欄目鏈接在這個(gè)過程中還要堅(jiān)持以下三個(gè)原則：(1)既要注意外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又要注意對(duì)二者影響的矛盾性；(2)既要注意溫度、催化劑對(duì)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制；(3)既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)際生產(chǎn)的可能性。

10、欄目鏈接2對(duì)于某一特定的實(shí)際反應(yīng)，選取適宜的外界條件的基本思路。 (1)從可逆性、反應(yīng)前后條件系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。(2)根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)具體分析外界條件對(duì)速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進(jìn)行綜合分析，再充分考慮。 欄目鏈接 欄目鏈接例如，合成氨的工業(yè)生產(chǎn)：壓強(qiáng)：溫度一定時(shí)，增大混合氣體的壓強(qiáng)對(duì)合成氨的速率和平衡都有利，但壓強(qiáng)越大需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，一般采用21075107 Pa。溫度：從平衡的角度考慮，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應(yīng)速率變慢，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡，很不經(jīng)濟(jì)，所以實(shí)際生產(chǎn)中，采用500 左右的適宜溫度(在此溫度時(shí)催化劑的

11、活性最大)。 欄目鏈接催化劑：為了加快反應(yīng)速率，采用以鐵為主體的鐵催化劑。濃度：不斷地補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，及時(shí)地分離出氨氣。例3合成氨的反應(yīng)：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，在一定條件下已達(dá)到平衡狀態(tài)。(1)此時(shí)_相等，_保持不變，而_卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是_平衡。 欄目鏈接(2)若降低溫度，會(huì)使上述化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是_反應(yīng)，生成1摩爾氨的反應(yīng)熱是46.1 kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_。 (3)合成氨時(shí)，選擇500 高溫的目的是_。 (4)若反應(yīng)容器的體積不變，原反應(yīng)溫度不變，而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，則上述平衡向_移動(dòng)；若在平衡體系中加入氦氣，則上

12、述平衡_移動(dòng)。 欄目鏈接解析：解決此問題的關(guān)鍵是：(1)根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的定義及特點(diǎn)可知，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，各反應(yīng)物和生成物的濃度保持不變，而正、逆反應(yīng)卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡。(2)由溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響可知，降低溫度使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)。由題意知，生成2 mol氨的反應(yīng)熱是46.1 kJ2，即92.2 kJ，則合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N2(g) 3H2(g)2NH3 (g)H92.2 kJmol1。(3)升高溫度和加入催化劑都能加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時(shí)活性最大。 欄目鏈接 (4)若保持反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度不

13、變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當(dāng)于增大體系的壓強(qiáng)，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，可判斷上述平衡應(yīng)該向正反應(yīng)方向移動(dòng)；若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應(yīng)，由于反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強(qiáng)，并未改變反應(yīng)體系的壓強(qiáng)，因此氦氣的加入對(duì)上述平衡沒有影響即化學(xué)平衡不移動(dòng)。 欄目鏈接答案：(1)正、逆反應(yīng)速率各反應(yīng)物和生成物的濃度正、逆反應(yīng)動(dòng)態(tài)(2)放熱N2(g) 3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1(3)加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時(shí)活性最大(4)正反應(yīng)方向不 欄目鏈接變式訓(xùn)練3在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3

14、：2SO2(g)O2(g) 2SO3(g)H198 kJmol1。下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。 欄目鏈接(從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是_。(實(shí)際生產(chǎn)中，選定400500 作為操作溫度其原因是_。(實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是_。(在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的中_。(5)尾氣中有SO2必須回收是為了_。 欄目鏈接解析：(1)觀察反應(yīng)的特點(diǎn)可以得出要想使平衡正向移動(dòng)，可以采取的措施為低溫、高壓。(2)由于400500 是較高溫度，而升高溫度雖然會(huì)使反應(yīng)速率加快，但是通過上表分析對(duì)生成物的產(chǎn)率影響不大，所以主要原因是此溫度時(shí)催化劑的活性最

15、大。(3)因?yàn)樵诔合?00500 時(shí)，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，故采用常壓。 欄目鏈接 (4)增大氧氣的濃度，相當(dāng)于增大了反應(yīng)物的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動(dòng)，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率。(5)尾氣是一種污染性氣體，所以在反應(yīng)結(jié)束后需對(duì)其進(jìn)行尾氣處理，以減少對(duì)環(huán)境的污染。答案：(1)低溫、高壓(2)該溫度是催化劑的活性溫度，選擇此溫度可提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間 欄目鏈接(3)因?yàn)樵诔合?00500 時(shí)，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不適宜(4)增大氧氣的濃度，使平衡

16、向生成SO3的方向移動(dòng)，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率(5)減少對(duì)環(huán)境的污染知識(shí)點(diǎn)四知識(shí)點(diǎn)四 合成氨生產(chǎn)的工藝流程探究合成氨生產(chǎn)的工藝流程探究 欄目鏈接1生產(chǎn)流程：制氣凈化除雜壓縮合成冷卻分離循環(huán)壓縮。合成氨生產(chǎn)示意圖： 欄目鏈接2原料氣的制備。(1) N2。物理方法：將空氣液化蒸發(fā)分離出N2。由于相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點(diǎn)：N2O2CO2H2O(g)，因此，高壓下將空氣液化后，經(jīng)減壓蒸發(fā)，最先得到的是N2，然后還可以得到O2等。此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法。工業(yè)上的化學(xué)方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。 欄目鏈接 (2) H2。工業(yè)上用水蒸氣與焦炭在高溫下反應(yīng)，吸收CO2后制得。工業(yè)上也可用碳?xì)浠衔锱c氧氣或水蒸氣反應(yīng)生成CO2和H2，吸收CO2后制得H2。如：CH4H2O=CO3H2，COH2O=CO2H2。 3原料氣凈化、除雜、壓縮后通入合成塔。 欄目鏈接4NH3的合成：在合成塔中進(jìn)行。從塔口進(jìn)氣，經(jīng)熱交換器與塔內(nèi)反應(yīng)后的高溫氣體逆流交換熱量后，進(jìn)入接觸室與鐵觸媒接觸反應(yīng)，從塔下口出氣。 5NH3的分離?；旌蠚饨?jīng)冷卻后，進(jìn)入氨分離器，只有氨氣在該壓強(qiáng)下液化得到液氨，而未反應(yīng)的N2和H2經(jīng)循