《化學反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》參考課件1

第4節(jié)化學反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨知識鋪墊必備知識正誤判斷合成氨反應(yīng)的發(fā)明有什么意義?實驗合成氨工業(yè)化生產(chǎn)需注意什么?

提示:合成氨技術(shù)的發(fā)明,使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實。要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn),必須從反應(yīng)速率和反應(yīng)限度兩個方面選擇合適的反應(yīng)條件。知識鋪墊必備知識正誤判斷一、合成氨反應(yīng)的限度1.合成氨反應(yīng)的特點合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng),化學方程式為

。在298K時ΔH=-92.2kJ·mol-1,ΔS=-198.2J·K-1·mol-1,該反應(yīng)是一個

反應(yīng),同時又是一個熵

的反應(yīng)。

2.合成氨的自發(fā)性在298K時,合成氨是

進行的反應(yīng)。

3.合成氨反應(yīng)的限度

、

將有利于合成氨反應(yīng)的化學平衡向生成氨氣的方向移動,在一定溫度和壓強下,從化學平衡的角度分析,反應(yīng)物氮氣與氫氣的體積比為

時平衡混合物中氨的含量最高。

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)放熱

減小自發(fā)降低溫度增大壓強1∶3知識鋪墊必備知識正誤判斷【微思考】已知298K時,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1,ΔS=-198.2J·K-1·mol-1,請通過計算說明298K時合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行?提示:ΔH-TΔS=-92.2×103J·mol-1-298K×(-198.2J·K-1·mol-1)=-92.2×103J·mol-1+59063.6J·mol-1=-33136.4J·mol-1<0,即298K時合成氨反應(yīng)能自發(fā)進行。知識鋪墊必備知識正誤判斷二、合成氨反應(yīng)的速率1.濃度對合成氨反應(yīng)速率的影響由v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)知,合成氨反應(yīng)的速率與氮氣濃度的

次方成正比,與氫氣濃度的

次方成正比,與氨氣濃度的

次方成反比。在反應(yīng)過程中,隨著氨氣濃度的增加反應(yīng)速率會逐漸

,因此為了保證足夠高的反應(yīng)速率,應(yīng)該適時將氨從混合物中分離出來。

2.催化劑對反應(yīng)速率的影響加入適宜的催化劑可以改變反應(yīng)的歷程,降低反應(yīng)的

,從而增大

。在其他條件相同的情況下,使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。

3.溫度溫度

,合成氨反應(yīng)進行得越快。

11.51降低活化能反應(yīng)速率越高知識鋪墊必備知識正誤判斷三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件1.合成氨反應(yīng)條件的選擇工業(yè)生產(chǎn)中,必須從

和

兩個角度選擇合成氨的適宜條件,既要考慮盡量增大反應(yīng)物的

,充分利用原料,又要選擇較快的反應(yīng)速率,提高單位時間內(nèi)的

,同時還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。

2.合成氨的適宜條件

反應(yīng)速率反應(yīng)限度轉(zhuǎn)化率產(chǎn)量知識鋪墊必備知識正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)使用鐵做催化劑,可提高合成氨反應(yīng)的速率和平衡轉(zhuǎn)化率。(

)(2)高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)。(

)(3)500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng),提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率。(

)(4)合成氨時采用循環(huán)操作,可提高原料的利用率。(

)(5)合成氨采用2×107~5×107Pa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最高。(

)(6)合成氨工業(yè)采用高壓,不僅能提高轉(zhuǎn)化率,還能縮短到達平衡的時間。(

)×√×√×√探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路問題探究利用氮氣與氫氣直接合成氨的工業(yè)生產(chǎn)曾是一個較難的課題。1909年,德國物理化學家哈伯用鋨催化劑將氮氣與氫氣在17.5~20MPa和500~600℃下直接合成,反應(yīng)器出口僅僅得到6%的氨。假如你是合成氨工廠的廠長,你最關(guān)心什么呢?

提示:最關(guān)心的問題應(yīng)是如何提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量以及原料的利用率。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測深化拓展1.合成氨最佳條件的分析與選擇(1)溫度:升高溫度有利于提高反應(yīng)速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化劑都有一個適宜的使用溫度。合成氨工業(yè)上一般采用700K左右的溫度。此溫度催化劑活性最強。(2)壓強:增大壓強,有利于提高反應(yīng)速率,也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但壓強越大,對設(shè)備材料、技術(shù)的要求就越高,生產(chǎn)成本也越高,綜合考慮,工業(yè)上采用的壓強一般為1×107~1×108Pa。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測(3)濃度:理論上n(N2)∶n(H2)=1∶3時,平衡轉(zhuǎn)化率最高,但實驗表明當n(N2)∶n(H2)=1∶2.8時更有利于氨的合成。工業(yè)上通常采用1∶2.8的比例投料,并且及時地分離出NH3,促使平衡正向移動。(4)催化劑:催化劑不影響化學平衡,但能極大地加快反應(yīng)速率,工業(yè)上一般采用鐵觸媒做合成氨的催化劑。2.工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路(1)從可逆性、反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€角度分析化學反應(yīng)的特點。(2)根據(jù)反應(yīng)特點具體分析外界條件對反應(yīng)速率和化學平衡的影響;從反應(yīng)速率和化學平衡的角度進行綜合分析,再充分考慮實際情況,選出適宜的外界條件。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測素能應(yīng)用典例合成氨技術(shù)的發(fā)明使工業(yè)化人工固氮成為現(xiàn)實。(1)下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述,不能用平衡移動原理來解釋的是

。

A.使用鐵作為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.700K左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D.使反應(yīng)混合物中的氨液化有利于合成氨的反應(yīng)探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測(2)已知工業(yè)合成氨的熱化學方程式為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)達到平衡后,改變某一外界條件,反應(yīng)速率與時間的關(guān)系如圖所示,其中t2、t4、t7時刻所對應(yīng)的實驗條件改變分別是t2

,t4

,t7

。

②溫度為T

℃時,將2amolH2和amolN2放入0.5L密閉容器中,充分反應(yīng)達平衡后測得N2的轉(zhuǎn)化率為50%,此時放出熱量46.1kJ,則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為

。

探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測答案:(1)AC(2)①增大N2或H2的濃度加入催化劑降溫②4.0(mol·L-1)-2解析:(1)使用鐵作為催化劑,能同等程度地加快正、逆反應(yīng)的速率,即正、逆反應(yīng)速率仍相等,因而平衡不發(fā)生移動,只是可以縮短達到平衡所需的時間,不能用平衡移動原理來解釋。由于合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是一個氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應(yīng),所以增大壓強可以使平衡向著生成氨的方向移動,可以用平衡移動原理解釋。合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng),低溫雖然可以提高氨氣的產(chǎn)量,但是反應(yīng)速率太慢,而溫度太高雖能加快反應(yīng)速率,但卻使平衡混合物中氨氣的含量降低,因此工業(yè)生產(chǎn)一般采用適宜的溫度,既能加快反應(yīng)速率又能適當維持平衡混合物中氨氣的含量。700K左右催化劑的活性最高,因此不能用平衡移動原理來解釋。將生成物氨氣液化分離,降低了生成物的濃度,將使平衡向生成氨的方向移動,有利于氨的生成,可以用平衡移動原理來解釋。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測(2)①t2時刻正反應(yīng)速率瞬間加快,逆反應(yīng)速率瞬間未變化,平衡正向移動,應(yīng)是增大了反應(yīng)物的濃度;t4時刻反應(yīng)速率加快,但平衡未發(fā)生移動,應(yīng)是加入了催化劑;t7時刻正、逆反應(yīng)速率都瞬間減慢后平衡正向移動,應(yīng)是降低了溫度。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測②根據(jù)“三段式”計算:平衡時放出熱量為46.1kJ,則平衡時N2轉(zhuǎn)化了0.5mol,0.5amol=0.5mol,則a=1.0。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測規(guī)律方法合成氨條件的優(yōu)化

探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測變式訓練哈伯因發(fā)明了由氮氣和氫氣合成氨氣的方法而獲得1918年諾貝爾化學獎?，F(xiàn)向一密閉容器中充入1molN2和3molH2,在一定條件下使該反應(yīng)發(fā)生。下列有關(guān)說法正確的是(

)A.達到化學平衡時,N2將完全轉(zhuǎn)化為NH3B.達到化學平衡時,N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度一定相等C.達到化學平衡時,N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度不再變化D.達到化學平衡時,正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率都為零答案:C

解析:在密閉容器中進行的任何可逆反應(yīng)不可能進行到底,因此,達到化學平衡時,氮氣不可能完全轉(zhuǎn)化為氨氣,A錯;當正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等(不為零)時,反應(yīng)達到平衡,此時,N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度不再變化,但不能認為N2、H2和NH3的物質(zhì)的量濃度一定相等。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測1.合成氨時采用700K左右的溫度進行,主要是因為在該溫度時(

)A.合成氨的化學反應(yīng)速率最大B.N2的轉(zhuǎn)化率最高C.催化劑的活性最大D.NH3在平衡混合氣體中的體積分數(shù)最大答案:C

解析:當壓強一定、溫度升高時,雖然能增大合成氨的反應(yīng)速率,但由于合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度會降低平衡混合物中NH3的含量。因此,從反應(yīng)的理想條件來看,氨的合成反應(yīng)在較低溫度下進行有利,但是溫度過低,反應(yīng)速率很小,需要很長的時間才能達到平衡狀態(tài),這在工業(yè)生產(chǎn)上是很不經(jīng)濟的。催化劑鐵在700K左右時的活性最大,這是合成氨反應(yīng)一般選擇在700K左右進行的重要原因之一。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測2.工業(yè)合成氨的正反應(yīng)是放熱反應(yīng),下列關(guān)于反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的圖像中,錯誤的是(

)探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測答案:C

解析:合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度,正、逆反應(yīng)速率都增大,但逆反應(yīng)速率增大的程度大,A正確;在T1時w(NH3)最大,達到平衡,再升高溫度,平衡逆向移動,w(NH3)縮小,B正確;低溫時達到平衡,w(NH3)大,C錯誤;增大壓強,平衡向右移動,w(NH3)增大,D正確。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測3.有關(guān)合成氨工業(yè)的下列說法正確的是(

)A.從合成塔出來的混合氣體,NH3的含量較小,所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低B.由于氨可液化分離出來,N2、H2在實際生產(chǎn)中循環(huán)使用,所以總體來說氨的產(chǎn)率較高C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度一般控制在700K左右,目的是使化學平衡向正反應(yīng)方向移動D.合成氨廠采用的壓強是2×107~3×107Pa,因在該壓強下鐵催化劑的活性最大探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測答案:B

解析:合成氨工業(yè)中從合成塔出來的混合氣體中NH3的含量較小,但由于分離出NH3后,N2和H2可循環(huán)使用,所以總體來說氨的產(chǎn)率是較高的,則A項錯誤,B項正確;合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在700K左右而不選擇常溫,是為了加快反應(yīng)速率,且催化劑在700K時催化活性最高,C項錯誤;合成氨的反應(yīng)為氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應(yīng),增大壓強主要是為了使平衡向正反應(yīng)方向移動,與催化劑活性無關(guān),D項錯誤。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測4.在合成氨時,既要使氨的產(chǎn)率增大,又要使化學反應(yīng)速率增大,可以采取的措施有(

)①增大體積使壓強減?、跍p小體積使壓強增大③升高溫度④降低溫度⑤恒溫恒容,再充入等量的N2和H2

⑥恒溫恒壓,再充入等量的N2和H2

⑦及時分離產(chǎn)生的NH3

⑧使用正催化劑A.①④⑤⑦ B.②③④⑦⑧C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧答案:C

解析:要使氨的產(chǎn)率增大,平衡右移,增大壓強和降低溫度、增大N2和H2的濃度、及時分離產(chǎn)生的NH3均可以,要使化學反應(yīng)速率增大,增大壓強、升高溫度、增大N2和H2的濃度、使用正催化劑都可以,因此符合要求的是②⑤。探究素養(yǎng)脈絡(luò)隨堂檢測5.工業(yè)合成氨[N2(g)+3H2