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第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)體系1.結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例,討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化,形成從限度、速率、能耗的多角度綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基本思路,發(fā)展“綠色化學(xué)”的觀念和辯證思維的能力。2.能運(yùn)用溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際問(wèn)題。化工生產(chǎn)過(guò)程中反應(yīng)條件的優(yōu)化反應(yīng)條件優(yōu)化的目的:降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益②化學(xué)反應(yīng)的限度③化學(xué)反應(yīng)的速率生產(chǎn)的高效益生產(chǎn)的高效率④生產(chǎn)條件對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求等投資成本經(jīng)濟(jì)效益①化學(xué)反應(yīng)的方向生產(chǎn)的科學(xué)性交流研討閱讀課本第76-77頁(yè),以合成氨為例來(lái)分析反應(yīng)條件的選擇1.請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析在298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行?2.根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn),利用影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素,分析什么條件有利于氨的合成?△H-T△S=-92.2KJ·mol-1-298K×(-198.2×10-3KJ·K-1·mol-1)
=-33.1KJ·mol-1<0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行降低溫、增大壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡正向移動(dòng),N2、H2濃度比為1:3,平衡混合物中氨的含量最高。一、合成氨反應(yīng)的限度1、結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素,你認(rèn)為通過(guò)控制什哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率?(1)溫度:(2)壓強(qiáng):(3)濃度:(4)催化劑:二、合成氨反應(yīng)的速率升高溫度增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)物濃度使用催化劑交流研討:2、實(shí)驗(yàn)表明,在特定條件下,合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)請(qǐng)你根據(jù)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?增大N2、H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中分離出去閱讀課本第77-78頁(yè)3、請(qǐng)你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響:催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件Ea/KJ·mol-1K(催)/K(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。催化劑的選擇性、高效性、局限性。如何提高催化劑的活性(自身成分、溫度、粒度、合成方法、反應(yīng)溫度及壓強(qiáng))。如何防止催化劑中毒。閱讀課本第78頁(yè)《化學(xué)與技術(shù)》,了解工業(yè)合成氨的催化歷程1、根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn),應(yīng)分別采取什么措施提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率?請(qǐng)?zhí)顚懻n本第79頁(yè)表格三、合成氨的適宜條件交流研討⑵既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率,又可提高氨的產(chǎn)量,那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好?⑴既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng),那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好?⑶在合成氨工業(yè)中要使用催化劑,既然催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒(méi)有影響,為什么還要使用呢?2、請(qǐng)你嘗試為合成氨選擇適宜條件合成氨適宜條件催化劑_________溫度__________________________根據(jù)設(shè)備動(dòng)力選擇壓強(qiáng)________________N2、H2投料比______及時(shí)分離________鐵700K左右(催化劑的活性溫度)1×107~1×108Pa1:2.8氨氣1、已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)△H<0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表(1)應(yīng)選用的溫度是______。應(yīng)采用的壓強(qiáng)是______,理由是___________________________________________________________________________________________。450℃常壓因?yàn)槌合耂O2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高,若采用較大壓強(qiáng),SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少,但需要的動(dòng)力更大,對(duì)設(shè)備的要求更高練習(xí):2、氨的合成反應(yīng),生產(chǎn)中采用的適宜條件是()A、低溫、高壓、適當(dāng)?shù)拇呋瘎〣、高溫、常壓C、盡可能高溫、高壓D、適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏?、適宜催化劑D3.下列有關(guān)工業(yè)合成氨的敘述中正確的是()A.溫度升高,不利于提高合成氨的反應(yīng)速率B.工業(yè)上選擇合適的條件,可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C.合成氨反應(yīng)化學(xué)平衡的移動(dòng)受到溫度、反應(yīng)物濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D.使用鐵催化劑,可以使氮?dú)夂蜌錃饣系乃俾拭黠@加快CD4.在一定溫度下,在恒壓容器a與恒容容器b中,分別盛入體積比為1∶3的N2和H2,開始時(shí)體積相同,達(dá)到平衡時(shí),N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)該是()A.a大B.b大C.a、b一樣大D.不一定A5.在容積可變的密閉容器中,2molN2和8molH2在一定條件下反應(yīng),達(dá)到平衡時(shí),H2的轉(zhuǎn)化率為25%,則平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)接近于(
)A.5%B.10%C.15%D.20%C平衡后,恒壓容器壓強(qiáng)大,
恒容容器容積大!
列三段式
6.下列所述情況表示合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是()A、H2的消耗速率與NH3的生成速率之比為3∶2B、混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變C、N2的生成速率與NH3的生成速率之比為1∶1D、密閉容器中H2、N2、NH3的物質(zhì)的量之比為3∶1∶2B7、合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實(shí)。(1)下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述,不能用平衡移動(dòng)原理來(lái)解釋的是_____。A、使用鐵催化劑有利于合成氨的反應(yīng)B、高壓比常壓更有利于合成氨的反應(yīng)C、500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D、使反應(yīng)混合物中的氨液化后分離有利于合成氨的反應(yīng)AC(2)已知工業(yè)合成氨N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1。①一定溫度下,在容積恒定的密閉容器中,一定量的N2和H2反應(yīng)達(dá)到平衡后,改變某一外界條件,反應(yīng)速率與時(shí)間的關(guān)系如下圖所示,其中t2、t4、t7時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變分別是:t2
t4
t7
。增大N2或H2的濃度加入催化劑降溫增上減下、哪移哪大、溫壓要斷、濃度相連規(guī)律總結(jié):②溫度為T℃時(shí),將2amolH2和amolN2放入0.5L密閉容器中,充分反應(yīng)達(dá)平衡后測(cè)得N2的轉(zhuǎn)化率為50%,此時(shí)放出熱量46.1kJ,則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為__________。4.0用三段式計(jì)算:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始物質(zhì)的量濃度(mol?L-1):2a4a0轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量濃度(mol?L-1):a3a2a平衡物質(zhì)的量濃度(mol?L-1):aa2a平衡常數(shù)K=4a2/a4=4/a2平衡時(shí)放出熱量46.1kJ,則平衡時(shí)N2轉(zhuǎn)化了0.5mol,0.5a=0.5mol,a=1.0,K=4.0。8.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=-198kJ·mol-1。如表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)催化劑△====(1)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_____________。(2)實(shí)際生產(chǎn)中,選定400℃~500℃作為操作溫度其原因是__________________。(3)實(shí)際生產(chǎn)中,采用的壓強(qiáng)為常壓,其原因是__________________________________。(4)在生產(chǎn)中,通入過(guò)量空氣的目的___________。(5)尾氣中的SO2必須回收是為了_________。低溫,高壓該溫度催化劑的活性最高,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)間因?yàn)樵诔合?00℃~500℃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,不合適增大氧氣的濃度,使平衡向生成SO3的方向移動(dòng),提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率減少對(duì)環(huán)境的污染9、0.1molCO2與0.3molC在恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+C(s)2CO(g)。平衡時(shí),體系中各氣體的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖。已知:用氣體分壓表示的化學(xué)平衡常數(shù)Kp=P2平(CO)/P平(CO2);氣體分壓(
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