知識講解-化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨(提高)(共6頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨 編稿：宋杰 審稿：張燦麗 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1、能用平衡移動原理（勒夏特列原理）解釋一些生活、生產(chǎn)問題； 2、理解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件； 3、了解合成氨生產(chǎn)的適宜條件和工藝流程。 【要點梳理】 要點一、合成氨反應(yīng)原理和特點。 1、反應(yīng)原理：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）。 2、反應(yīng)特點。 ①可逆反應(yīng)；②正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；③正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)；④氨很容易液化。 要點二、合成氨適宜條件的選擇。 1、適宜生產(chǎn)條件選擇的一

2、般原則。 對任一可逆反應(yīng)，增大反應(yīng)物濃度，能提高反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，故生產(chǎn)中常使廉價易得的原料適當(dāng)過量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮氣與氫氣的配比為1∶2.8。 選擇條件時既要考慮反應(yīng)的快慢——反應(yīng)速率越大越好，又要考慮反應(yīng)進行的程度——使化學(xué)平衡盡可能向正反應(yīng)方向移動，來提高氨在平衡混合物中的體積分?jǐn)?shù)。 2、合成氨條件選擇的依據(jù)。 運用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理的有關(guān)知識，同時考慮合成氨生產(chǎn)中的動力、材料、設(shè)備等因素來選擇合成氨的適宜生產(chǎn)條件。 3、合成氨條件的理論分析（見下表）。 反應(yīng)條件 對化學(xué)反應(yīng)速率的影響 對平衡混合物中N

3、H3的含量的影響 合成氨條件的選擇 增大壓強 有利于增大化學(xué)反應(yīng)速率 有利于提高平衡混合物中NH3的產(chǎn)量 壓強增大，有利于氨的合成，但需要的動力大，對材料、設(shè)備等的要求高，因此，工業(yè)上一般采用20 MPa～30 MPa的壓強 升高溫度 有利于增大化學(xué)反應(yīng)速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨時溫度要適宜，工業(yè)上一般采用500℃左右的溫度（因該溫度時，催化劑的活性最大） 反應(yīng)條件 對化學(xué)反應(yīng)速率的影響 對平衡混合物中NH3的含量的影響 合成氨條件的選擇 使用催化劑 有利于增大化學(xué)反應(yīng)速率

4、 沒有影響 催化劑的使用不能使平衡發(fā)生移動，但能縮短反應(yīng)達到平衡的時間，工業(yè)上一般選用鐵觸媒作催化劑，使反應(yīng)在盡可能低的溫度下進行 [歸納] 合成氨的適宜條件： （1）溫度：500℃左右； （2）壓強：20 MPa～30 MPa； （3）催化劑：鐵觸媒（500℃時其活性最強）。 除此之外，還應(yīng)及時將生成的氨分離出來，并不斷地補充原料氣（N2和H2），以有利于合成氨反應(yīng)。 要點三、合成氨工業(yè)的簡介。 合成氨工業(yè)的簡要流程： 合成氨生產(chǎn)示意圖2-4-1： 1、原料的制取 氮氣：將空氣液化、蒸餾分離出氮氣或者將空氣

5、中的氧氣與碳作用生成CO2，除去CO2后得氮氣。 氫氣：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然氣等）在高溫下制取。主要反應(yīng)有： C+H2O（g）CO+H2 CO+H2O（g）CO2+H2 CH4+H2O（g）CO+3H2 2CH4+O22CO+4H2 2、制得的氮氣和氫氣需凈化、除雜質(zhì)，再用壓縮機壓縮至高壓。 3、氨的合成：在適宜的條件下，在合成塔中進行。反應(yīng)原理為N2+3H22NH3。 4、氨的分離：經(jīng)冷凝使氨液化，將氨分離出來，提高原料的利用率，并將未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)送入合成塔，使其充分被利用。 要點詮釋：①循

6、環(huán)操作過程是沒有轉(zhuǎn)化為生成物的反應(yīng)物又重新回到反應(yīng)設(shè)備中參加反應(yīng)的過程。顯然循環(huán)操作過程可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，使反應(yīng)物盡可能地轉(zhuǎn)化為生成物，提高經(jīng)濟效益。 ②由于存在循環(huán)操作過程，從理論上講，即使是可逆反應(yīng)，反應(yīng)物最終全部轉(zhuǎn)化為生成物。 5、合成氨生產(chǎn)的發(fā)展前景。 合成氨條件的選擇與科技進步、動力、材料、設(shè)備等條件的改善緊密相連，并將隨之作相應(yīng)改變。目前，人們正在研究使合成氨反應(yīng)在較低溫度下進行的催化劑以及研究化學(xué)模擬生物固氮等，以進一步提高合成氨的生產(chǎn)能力。 【典型例題】 類型一、勒夏特列原理及其應(yīng)用 例1、鉀是一種活潑的金屬，工業(yè)上通常用金屬鈉

7、和氯化鉀在高溫下反應(yīng)制取。該反應(yīng)為Na (1)+KCl (1)NaCl (1)+K (g) ΔH＞0，該反應(yīng)的平衡常數(shù)可表示為K=c (K)。各物質(zhì)的沸點與壓強的關(guān)系見下表。 壓強／kPa 13.33 53.32 101.3 K的沸點／℃ 590 710 770 Na的沸點／℃ 700 830 890 KCl的沸點／℃ 1437 NaCl的沸點／℃ 1465 （1）在常壓下金屬鉀轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從反應(yīng)混合物中分離的最低溫度約為________，而反應(yīng)的最高溫度低于________。 （2）在制取鉀的過程中，為了提高原料的轉(zhuǎn)化率可

8、以采取的措施是________。 （3）常壓下，當(dāng)反應(yīng)溫度升高至900℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)可表示為K=________。 【思路點撥】本題考查勒夏特列原理的應(yīng)用，注意只有在涉及到化學(xué)平衡的內(nèi)容時才能用到該原理。 【答案】（1）770℃ 890℃ （2）降低壓強或移去鉀蒸氣，適當(dāng)升高溫度 （3）c（K）／c（Na） 【解析】要分離K，需K為氣態(tài)，而其他物質(zhì)為固態(tài)或液態(tài)，所以溫度應(yīng)該要高于770℃低于890℃，提高原料的轉(zhuǎn)化率要降低壓強或移去鉀蒸氣，適當(dāng)升高溫度，使平衡向正方向移動。當(dāng)升高至900℃時，Na為氣態(tài)，所以K=c（K）／c（Na）

9、。 舉一反三： 【變式1】在硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程中，有反應(yīng)2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），根據(jù)下表所提供的不同壓強下SO2的轉(zhuǎn)化率（％）的數(shù)據(jù)，試選擇該反應(yīng)的適宜條件（以V2O5作催化劑）。 壓強／Pa 轉(zhuǎn)化率／% 溫度／℃ 1105 5105 10105 50105 100105 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 【答案】450℃；1105 Pa（常壓）。 【解析】該反應(yīng)與合成氨的反應(yīng)相似，都是氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，溫度升高有利

10、于加快反應(yīng)速率，但降低了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，適宜條件的選擇需要綜合考慮。增大壓強有利于加快反應(yīng)速率，同時也可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但壓強對SO2的催化氧化的轉(zhuǎn)化率影響不大。 【變式2】（2015 撫順期末）下列對化學(xué)平衡移動的分析中，不正確的是（ ）。 ①已達平衡的的反應(yīng)C（s）+H2O（g）CO（g）+ H2（g），當(dāng)增加反應(yīng)物物質(zhì)的量時，平衡一定向正反應(yīng)方向移動 ②已達平衡的反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g），當(dāng)增大N2的濃度時，平衡向正反應(yīng)方向移動，N2的轉(zhuǎn)化率一定升高 ③有氣體參加的反應(yīng)平衡時，若減小反應(yīng)器容積時，平衡一定向氣體體積增大的方向移動 ④有氣體參加的反

11、應(yīng)達平衡時，在恒壓反應(yīng)器中充入稀有氣體，平衡一定不移動 A．①④ B．①②③ C．②③④ D．①②③④ 【答案】D 【解析】①C為固體，增大固體的量，平衡不移動，故①錯誤；②增大N2的物質(zhì)的量，平衡向正反應(yīng)方向移動，但轉(zhuǎn)化的少，增加的多，N2的轉(zhuǎn)化率減小，故②錯誤；③如氣體反應(yīng)物與生成物計量數(shù)之和相等，則增大壓強平衡不移動，故③錯誤；④在恒壓反應(yīng)器中充入稀有氣體，如氣體反應(yīng)物與生成物化學(xué)計量數(shù)之和相等，則平衡不移動，如反應(yīng)前后氣體的化學(xué)計量數(shù)之和不等，則平衡移動，故④錯誤。故選D。 類型二、合成氨工業(yè) 例2、利用天然氣合成氨的工藝流程示意圖如下，依據(jù)流程圖，完成

12、下列填空： （1）天然氣脫硫時的化學(xué)方程式是________。 （2）n mol CH4經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO 0.9n mol、產(chǎn)生H2________mol（用含n的代數(shù)式表示）。 （3）K2CO3（aq）和CO2反應(yīng)在加壓下進行，加壓的理論依據(jù)是________。 a．相似相溶原理 b．勒夏特列原理 c．酸堿中和原理 （4）由KHCO3分解得到的CO2可以用于________（寫出CO2的一種重要用途）。 （5）整個流程有三處循環(huán)，一是Fe(OH)3循環(huán)，二是K2CO3（aq）循環(huán)，請在下述流程圖中標(biāo)出第三處循環(huán)（循環(huán)

13、方向、循環(huán)物質(zhì)）。 【思路點撥】本題考查天然氣合成氨工業(yè)中的部分具體問題，從另一方面考查化學(xué)反應(yīng)平衡的移動，注意勒夏特列原理的應(yīng)用。 【答案】（1）3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O （2）2.7n （3）b （4）生產(chǎn)純堿（或做制冷劑等） 【解析】（1）3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O。 （2）一次轉(zhuǎn)化所發(fā)生的反應(yīng)是：CH4+H2O==CO+3H2，參加反應(yīng)的CH4為0.9n mol，生成H2為30.9n=2.7n mol。 （3）K2CO3 (aq)+CO2 (g)+H2O (1)==2KHC

14、O3 (aq)，這是氣體體積縮小的反應(yīng)。根據(jù)勒夏特列原理，增大壓強有利于KHCO3的生成。 （5）N2、H2經(jīng)合成塔合成氨后，還有大量的N2、H2未參加合成，所以除NH3后的N2、H2重新回到合成塔，再進行合成氨反應(yīng)。 【總結(jié)升華】本題利用工業(yè)生產(chǎn)流程圖來考查碳族元素、氮族元素及化學(xué)平衡移動原理的知識，題目設(shè)計新穎，既有定性簡答，又有定量計算，代表了當(dāng)前高考命題的趨勢。 舉一反三： 【變式1】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．N2和H2 B．催化劑 C．NH3 D．H2 【答案】A 類型三、合成氨的有關(guān)

15、計算 例3、（2014 北京海淀二模）合成氨尿素工業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程如下圖所示。 （1）天然氣在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應(yīng)生成H2和CO的化學(xué)方程式為__________________________。 （2）在合成氨生產(chǎn)中，將生成的氨及時從反應(yīng)后的氣體中分離出來，運用化學(xué)平衡的知識分析這樣做的是否有利于氨的合成，說明理由：_________________________________________。 （3）如圖為合成氨反應(yīng)在不同溫度和壓強、使用相同催化劑條件下，初始時氮氣、氫氣的體積比為1：3時，平衡混合物中氨的體積分?jǐn)?shù)。 ①若分別用vA（NH3）和vB（NH

16、3）表示從反應(yīng)開始至達平衡狀態(tài)A、B時的化學(xué)反應(yīng)速率，則vA（NH3）______ vB（NH3）（填“＞”、“＜”或“=”）。 ②在相同溫度、當(dāng)壓強由p1變?yōu)閜3時，合成氨反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)______。（填“變大”、“變小”或“不變”）。 ③在250℃、1.0104kPa下，H2的轉(zhuǎn)化率為______%（計算結(jié)果保留小數(shù)點后1位）。 （4）NH3（g）與CO2（g）經(jīng)過兩步反應(yīng)生成尿素，兩步反應(yīng)的能量變化示意圖如下： NH3（g）與CO2（g）反應(yīng)生成尿素的熱化學(xué)方程式為______________________________。 （5）運輸氨時，不能使用銅及其合金制造的管道閥門。因為

17、在潮濕的環(huán)境中，金屬銅在有NH3存在時能被空氣中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，該反應(yīng)的離子方程式為___________________________。 【思路點撥】本題考查制備實驗方案的設(shè)計，綜合性較強，題目難度較大，涉及化學(xué)平衡及計算、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、熱化學(xué)反應(yīng)等高考?？伎键c，注重學(xué)生能力的訓(xùn)練，把握圖像及數(shù)據(jù)處理即可解答。 【答案】 【解析】（1）甲烷與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，該反應(yīng)為CH4+H2OCO+3H2； （2）減少生成物的濃度，化學(xué)平衡正向移動，所以移走氨氣，減小生成物濃度，平衡右移，有利于氨生成，故答案為：移走氨氣，減小生成物濃度，平

18、衡右移，有利于氨生成； （3）①溫度越大，壓強越大，反應(yīng)速率越大，由圖可知，B對應(yīng)的溫度、壓強大，則反應(yīng)速率大； ②化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，顯然溫度不變，則化學(xué)平衡常數(shù)K不變； ③在250℃、1.0104kPa下，氨氣的體積分?jǐn)?shù)為50%，則 所以=50%，解得x=，則氫氣的轉(zhuǎn)化率為100%=66.7%； （4）由圖示可知，兩步反應(yīng)的完成的熱效應(yīng)與一步完成的熱效應(yīng)是相同的，將兩個反應(yīng)相加可得 2NH3（g）+CO2（g）═CO（NH2）2（s）+H2O（l）△H=-134kJ/mol； （5）銅在有NH3存在時能被空氣中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，該離子反應(yīng)為2Cu+8NH3+O

19、2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-。 【總結(jié)升華】化學(xué)來源于生產(chǎn)、生活，又服務(wù)于生產(chǎn)、生活。無機化工題實際上是考查考生運用化學(xué)反應(yīng)原理及相關(guān)知識來解決工業(yè)生產(chǎn)中實際問題的能力。解此類型題目的基本步驟是：①從題干中獲取有用信息，了解生產(chǎn)的產(chǎn)品。②分析流程中的每一步驟，從幾個方面了解流程：A．反應(yīng)物是什么，B．發(fā)生了什么反應(yīng)，C．該反應(yīng)造成了什么后果，對制造產(chǎn)品有什么作用。抓住一個關(guān)鍵點：一切反應(yīng)或操作都是為獲得產(chǎn)品而服務(wù)。③從問題中獲取信息，幫助解題。 了解流程后著手答題。對反應(yīng)條件的分析可從以下幾個方面著手：對反應(yīng)速率有何影響？對平衡轉(zhuǎn)化率有何影響？對綜合生產(chǎn)效益有何影響？如原料成本，原料來源是否廣泛、是否可再生，能源成本，對設(shè)備的要求，環(huán)境保護（從綠色化學(xué)方面作答）。 舉一反三： 【變式1】將1體積N2和4體積H2放入密閉容器中，測得壓強為3.03105 Pa，達到平衡后測得含NH3 12％，試求： （1）平衡時N2和H2占平衡混合氣體的體積百分比； （2）到達平衡時的壓強。 【答案】（1）平衡時N2占16.4％，H2占71.6％；（2）平衡時壓強為2.71105 Pa。 專心---專注---專業(yè)