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1、第二章化學反應的方向、限度與速率第二章化學反應的方向、限度與速率第四節(jié)第四節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化化學反應條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨知識點一知識點一 合成氨反應的限度合成氨反應的限度 欄目鏈接1分析合成氨反應的自發(fā)性。已知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1S198.2 JK1mol1在298 K 時，HTS92.2 kJmol1298 K(198.2103)kJK1mol133.1 kJmol10故該反應在298 K時能自發(fā)進行。 欄目鏈接2合成氨的條件。該反應是正反應體積減小、放熱、熵減的可逆反應，由化學平衡移動原理及影響平衡移動的條件知，合成氨的理想條件是：低
2、溫、高壓。實驗表明：在一定的溫度和壓強下，反應物N2、H2的體積比為1 3時，平衡混合物中氨的含量最高。 欄目鏈接例1保持溫度、壓強不變，合成氨反應達到平衡狀態(tài)時，進行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是() A恒溫、恒壓時，充入NH3 B恒溫、恒容時，充入N2 C恒溫、恒壓時，充入He D恒溫、恒容時，充入He 欄目鏈接解析：本題考查濃度對化學平衡的影響。在恒溫、恒壓時，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，實際上是等于減少了反應物的濃度(反應物的體積變大，而物質(zhì)的量沒變)，此時，正反應速率小于逆反應速率，平衡向左移，故A將發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，充入N2使容器內(nèi)壓強增大。
3、由于整個體系的體積不變，所以加入N2后，反應物N2的濃度增大，所以平衡向右移動。 欄目鏈接故B發(fā)生移動。在恒溫、恒壓時，加入He，使整個體系做等壓膨脹，體積變大，He雖然不參與化學反應，但由于體積的膨脹，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的濃度都相應減小，結(jié)果，反應物濃度減小的程度比生成物濃度減小的程度大，此時正反應速率小于逆反應速率，平衡左移，故C發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，向體系中加入He，使整個體系壓強增大，但由 欄目鏈接于He不參與反應，對于參加反應的物質(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。答案：D 欄目鏈接變式訓練1可逆反應3H2(g)N2(g)2
4、NH3(g)H0達到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是(D)A升高溫度，降低壓強，增加氮氣B降低溫度，增大壓強，加入催化劑 C升高溫度，增大壓強，增加氮氣 D降低溫度，增大壓強，分離出部分氨 欄目鏈接解析：本題旨在考查影響化學平衡的外界因素的應用與分析。題目要求增大合成氨反應中氫氣的轉(zhuǎn)化率，就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應的其他條件，使更多的氫氣轉(zhuǎn)化為氨。從化學平衡分析也就是使平衡向正反應方向移動。先分析溫度的影響，合成氨是放熱反應，從理論上分析應采用盡可能低的溫度，選項A、C中升高溫度是錯誤的。合成氨反應前后都是氣體物質(zhì)，反應前氣體體積比反應后氣體體積
5、更大，所以增大壓強 欄目鏈接會使平衡向氣體體積減小的方向移動，即向正反應方向移動，選項A是錯誤的，其他選項中增大壓強是正確的。有關濃度的影響，增大反應物濃度或減小生成物濃度，會使平衡向正反應方向移動，在合成氨反應中增加氮氣和減少(分離出)氨可以使反應向正方向移動。加入催化劑可加快反應，但對平衡移動無影響，選項B是錯誤的。知識點二知識點二 合成氨的反應速率合成氨的反應速率 欄目鏈接1由平衡移動的原理可知，合成氨要在高壓和低溫下才能得到較高的產(chǎn)率。但是高壓條件對設備的要求高，而反應溫度的降低勢必延長達到化學平衡的時間，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，除了考慮反應
6、的限度外，還需要研究哪些措施可以用來提高化學反應速率。 欄目鏈接2增大反應速率的方法：可以采用升高溫度、增大壓強、增大反應物N2(或H2)的濃度及使用催化劑等措施來提高合成NH3的反應速率。 3 濃 度 對 化 學 反 應 速 率 的 影 響 ： 從 v kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，在一定的溫度、壓強下，化學反應速率與反應物濃度c(N2)或c1.5(H2)成正比關系，與生成物濃度c(NH3)成反比關系。因此可以采用增大反應物濃度、減小生成物濃度來提高化學反應速率。 欄目鏈接4催化劑對化學反應速率的影響：加催化劑可以使反應的活化能從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速率提高上萬億倍，因為催化劑改變了反應的歷程，降低了反應所需的活化能，增大了反應速率常數(shù)，大大提高了化學反應速率。 結(jié)論：從化學反應速率理論方面分析，增大反應物濃度、使用合適的催化劑、增大壓強及升高溫度都可以增大合成氨的反應速率。 欄目鏈接例2對于合成氨的反應來說，使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是() A都能提高反應速率，都對化學平衡狀態(tài)無影響 B都對化學平衡狀態(tài)有影響，都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間 C都能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強對化學平衡狀態(tài)有影響 D催化劑能縮短反應達到平衡狀態(tài)所用的時間，而壓強無此
8、作用 欄目鏈接解析：本題考查運用平衡移動原理及化學反應速率理論來解決問題的實際應用能力。對于化學反應：N2 (g)3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能降低反應所需活化能，增大反應速率常數(shù)，提高反應速率，縮短達到平衡狀態(tài)所用時間，不能使化學平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應速率，使反應達到平衡狀態(tài)所用時間縮短，也能使化學平衡向生成NH3的方向移動。答案：C 欄目鏈接變式訓練2工業(yè)上合成氨時一般采用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時活性最大A只有BCD解析：從反應速率考慮，溫度越高，速率越快；但在合成氨中溫度在700 K左右時，催化劑活
9、性最好，更有利于提高合成氨的反應速率。知識點三知識點三 合成氨適應條件合成氨適應條件 欄目鏈接1化學反應條件的優(yōu)化?；瘜W反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學研究領域起著重要的作用，在實際生產(chǎn)中應當運用對立統(tǒng)一的規(guī)律，綜合化學反應速率和化學平衡移動原理，既考慮反應的快慢(反應速率的大小)，又考慮反應進行的程度(化學平衡)。 欄目鏈接在這個過程中還要堅持以下三個原則：(1)既要注意外界條件對化學反應速率和化學平衡影響的一致性，又要注意對二者影響的矛盾性；(2)既要注意溫度、催化劑對反應速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對溫度的限制；(3)既要注意理論上的需要，又要注意實際生產(chǎn)的可能性。
10、欄目鏈接2對于某一特定的實際反應，選取適宜的外界條件的基本思路。 (1)從可逆性、反應前后條件系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€角度分析化學反應的特點。(2)根據(jù)反應特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進行綜合分析，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：溫度一定時，增大混合氣體的壓強對合成氨的速率和平衡都有利，但壓強越大需要的動力越大，對材料的強度和設備的制造要求越高，一般采用21075107 Pa。溫度：從平衡的角度考慮，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應速率變慢，需要很長時間才能達到平衡，很不經(jīng)濟，所以實際生產(chǎn)中，采用500 左右的適宜溫度(在此溫度時催化劑的
11、活性最大)。 欄目鏈接催化劑：為了加快反應速率，采用以鐵為主體的鐵催化劑。濃度：不斷地補充氮氣和氫氣，及時地分離出氨氣。例3合成氨的反應：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，在一定條件下已達到平衡狀態(tài)。(1)此時_相等，_保持不變，而_卻仍在進行，因此化學平衡是_平衡。 欄目鏈接(2)若降低溫度，會使上述化學平衡向生成氨的方向移動，則正反應是_反應，生成1摩爾氨的反應熱是46.1 kJ，則該反應的熱化學方程式為_。 (3)合成氨時，選擇500 高溫的目的是_。 (4)若反應容器的體積不變，原反應溫度不變，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；若在平衡體系中加入氦氣，則上
12、述平衡_移動。 欄目鏈接解析：解決此問題的關鍵是：(1)根據(jù)化學平衡狀態(tài)的定義及特點可知，反應達到平衡狀態(tài)時，正、逆反應速率相等，各反應物和生成物的濃度保持不變，而正、逆反應卻仍在進行，因此化學平衡是動態(tài)平衡。(2)由溫度對化學平衡的影響可知，降低溫度使化學平衡向正反應方向移動，則正反應一定是放熱反應。由題意知，生成2 mol氨的反應熱是46.1 kJ2，即92.2 kJ，則合成氨反應的熱化學方程式為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速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大。 欄目鏈接 (4)若保持反應容器的體積和反應溫度不
13、變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當于增大體系的壓強，根據(jù)壓強對化學平衡的影響，可判斷上述平衡應該向正反應方向移動；若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應，由于反應容器的體積和反應溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強，并未改變反應體系的壓強，因此氦氣的加入對上述平衡沒有影響即化學平衡不移動。 欄目鏈接答案：(1)正、逆反應速率各反應物和生成物的濃度正、逆反應動態(tài)(2)放熱N2(g) 3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1(3)加快反應速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大(4)正反應方向不 欄目鏈接變式訓練3在硫酸工業(yè)中，通過下列反應使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_。(實際生產(chǎn)中，選定400500 作為操作溫度其原因是_。(實際生產(chǎn)中，采用的壓強為常壓，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)觀察反應的特點可以得出要想使平衡正向移動，可以采取的措施為低溫、高壓。(2)由于400500 是較高溫度，而升高溫度雖然會使反應速率加快，但是通過上表分析對生成物的產(chǎn)率影響不大，所以主要原因是此溫度時催化劑的活性最
15、大。(3)因為在常壓下400500 時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設備及動力系統(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，相當于增大了反應物的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率。(5)尾氣是一種污染性氣體，所以在反應結(jié)束后需對其進行尾氣處理，以減少對環(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速率，縮短反應達到平衡所需要的時間 欄目鏈接(3)因為在常壓下400500 時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設備及動力系統(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，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率(5)減少對環(huán)境的污染知識點四知識點四 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：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。
17、欄目鏈接 (2) H2。工業(yè)上用水蒸氣與焦炭在高溫下反應，吸收CO2后制得。工業(yè)上也可用碳氫化合物與氧氣或水蒸氣反應生成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：在合成塔中進行。從塔口進氣，經(jīng)熱交換器與塔內(nèi)反應后的高溫氣體逆流交換熱量后，進入接觸室與鐵觸媒接觸反應，從塔下口出氣。 5NH3的分離?；旌蠚饨?jīng)冷卻后，進入氨分離器，只有氨氣在該壓強下液化得到液氨，而未反應的N2和H2經(jīng)循環(huán)壓縮機壓縮后，再通入合成塔中進行反應。因此，雖然合成氨反應的產(chǎn)率不高，但經(jīng)過循環(huán)反應后，N2和H2可以全部轉(zhuǎn)化為NH3。 欄目鏈接此外，如果讓N2和H2的混合氣體，只一次通過合成塔起反應也是很不經(jīng)濟的，應將與NH3分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度，以有利于合成氨反應。例4合成氨工業(yè)有下列流程：原料氣制備；氨的合成；原料氣凈化和壓縮；氨的分離。其先后順序為()ABC D 答案：C 欄目鏈接變式訓練4下面是合成氨的簡要流程示意圖：沿X路線回去的物質(zhì)是(A)AN2和H2 B催化劑CN2 DH2
高中化學選修4魯科版第2章-第4節(jié)《化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》
