化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨高二上學(xué)期化學(xué)魯科版（2019）選擇性必修1

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨第2章1.知道如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡分析合成氨的適宜條件，了解工業(yè)合成氨的生產(chǎn)過(guò)程(重點(diǎn))。2.認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用(難點(diǎn))。學(xué)習(xí)目標(biāo)你知道哪些反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)氮的固定？試分析合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，據(jù)此思考如何選擇合適條件，加快合成氨的反應(yīng)速率、提高氨的產(chǎn)率？新課導(dǎo)入理論分析合成氨反應(yīng)的條件一1.合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。(1)可逆性：反應(yīng)為可逆反應(yīng)。(2)體積變化：正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)。(3)焓變：ΔH<0，ΔS<0(4)自發(fā)性：常溫(298K)下，ΔH－TΔS<0，能正向自發(fā)進(jìn)行。2.提高合成氨反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率的條件比較條件提高反應(yīng)速率提高平衡轉(zhuǎn)化率綜合結(jié)果壓強(qiáng)高壓高壓高壓溫度高溫低溫兼顧速率和平衡，且考慮催化劑活性催化劑使用無(wú)影響使用濃度增大反應(yīng)物氮?dú)饣驓錃獾臐舛仍龃竽骋环磻?yīng)物的濃度，降低反應(yīng)產(chǎn)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度，且不斷減小反應(yīng)產(chǎn)物的濃度從化學(xué)平衡的角度分析，在一定的溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物N2和H2的體積比為1∶3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。思考交流1.正誤判斷(1)工業(yè)合成氨的反應(yīng)是ΔH<0、ΔS<0的反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行(2)在合成氨的實(shí)際生產(chǎn)中，溫度越低、壓強(qiáng)越大越好(3)在合成氨中，加入催化劑能提高原料的轉(zhuǎn)化率(4)催化劑在合成氨中質(zhì)量沒(méi)有改變，因此催化劑沒(méi)有參與反應(yīng)(5)增大反應(yīng)物的濃度，減少反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，可以提高氨的產(chǎn)率(6)合成氨中在提高速率和原料的轉(zhuǎn)化率上對(duì)溫度的要求是一致的××××√×思考交流2.實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度的關(guān)系式為v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，請(qǐng)你根據(jù)該關(guān)系式分析，各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來(lái)提高反應(yīng)速率？提示由合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率公式可知，在一定溫度、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，與反應(yīng)產(chǎn)物濃度[c(NH3)]成反比關(guān)系。由此在一定溫度、壓強(qiáng)下，可采取增大反應(yīng)物濃度、減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度的措施來(lái)提高化學(xué)反應(yīng)速率。另外還可采取升高溫度、使用合適的催化劑等措施來(lái)加快反應(yīng)速率。工業(yè)合成氨的適宜條件二工業(yè)合成氨反應(yīng)條件的選擇主要基于哪些因素考慮？結(jié)合課本內(nèi)容，實(shí)際生產(chǎn)中選擇哪些適宜的條件呢?注意選擇這些條件的理由化學(xué)反應(yīng)速率；化學(xué)反應(yīng)限度；生產(chǎn)實(shí)際催化劑鐵觸媒、10～30MPa、400～500℃思考討論1.合成氨反應(yīng)條件的選擇原則從反應(yīng)速率和反應(yīng)限度兩個(gè)角度盡量增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料；(1)選擇較快的化學(xué)反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量；(2)考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。(3)2.合成氨反應(yīng)的適宜條件(1)壓強(qiáng)目前我國(guó)的合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10～30MPa。合成氨時(shí)不采用更高壓強(qiáng)的理由：___________________________。答案壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求就越高，需要的動(dòng)力也越大，這將會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益(2)溫度實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的溫度為400～500℃。不采用低溫的理由：________________________________________答案溫度降低會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率減小，達(dá)到平衡所用時(shí)間變長(zhǎng)，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的，且鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大(3)催化劑①目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱(chēng)鐵觸媒。②我們知道催化劑對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率無(wú)影響，在合成氨工業(yè)中還要使用催化劑的原因是_____________________________________________。答案即使在高溫、高壓下，N2和H2的化合反應(yīng)仍然進(jìn)行得十分緩慢。加入催化劑，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物在較低溫度時(shí)能較快地發(fā)生反應(yīng)，提高單位時(shí)間的生產(chǎn)效率，可提高經(jīng)濟(jì)效益③催化劑中毒：因吸附或沉積毒物而使催化劑活性降低或喪失的過(guò)程。(4)濃度及時(shí)將氨氣從反應(yīng)混合物中分離出去，將未反應(yīng)的N2和H2循環(huán)使用并及時(shí)補(bǔ)充N(xiāo)2和H2，使反應(yīng)物保持一定的濃度。(5)其他：兼顧環(huán)境保護(hù)和社會(huì)效益。3.工業(yè)合成氨生產(chǎn)流程簡(jiǎn)介工業(yè)合成氨的生產(chǎn)過(guò)程主要包括造氣、凈化、合成氨三大部分。(1)原料氣中氫氣常來(lái)自哪里？提示氫氣來(lái)自天然氣、煤和煉油產(chǎn)品。(2)原料氣凈化的目的是什么？提示消除造氣過(guò)程中夾帶的雜質(zhì)，防止催化劑中毒。(3)已知氮?dú)庠诖呋瘎┥衔椒纸鉃榭偡磻?yīng)中最慢的步驟。合成氨工業(yè)生產(chǎn)一般采用n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8的目的是什么？提示適當(dāng)提高N2比例，加快合成氨的速率。自我測(cè)試1231.下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說(shuō)法正確的是A.N2的量越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的

合成B.恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成C.工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行D.工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵減小的放熱反應(yīng)，在常溫時(shí)可自發(fā)進(jìn)行√自我測(cè)試1232.在一定條件下，可逆反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)(正反應(yīng)是放熱反應(yīng))達(dá)到平衡，當(dāng)單獨(dú)改變下列條件后，有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是A.加催化劑，v正、v逆都發(fā)生變化而且變化的倍數(shù)相等B.加壓，v正、v逆都增大，且v正增大的倍數(shù)大于v逆增大的倍數(shù)C.降溫，v正、v逆都減小，且v正減小的倍數(shù)小于v逆減小的倍數(shù)D.等容條件下加入氬氣，v正、v逆都增大，且v正增大的倍數(shù)大于v逆增大

的倍數(shù)√自我測(cè)試1233.在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)

ΔH＝－196.6kJ·mol－1。(已知：催化劑是V2O5，在400～500℃時(shí)催化劑效果最好)下表列出了在不同溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率。溫度/℃平衡時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa5MPa10MPa45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，應(yīng)選擇的條件是_______________。450℃、10MPa自我測(cè)試123(2)在實(shí)際生產(chǎn)中，選定的溫度為400～500℃，原因是____________________________________________________________________________________________________________。(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在實(shí)際生產(chǎn)中，通入過(guò)量的空氣，原因是_____________________________________________。(5)尾氣中SO2必須回收，原因是____________________________________________________。在此溫度下，催化劑活