1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨,第2章 化学反应的方向、限度与速率,学习目标定位 1.应用化学反应速率和化学平衡原理，会选择合成氨的适宜条件。 2.体会应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。,新知导学,达标检测,内容索引,新知导学,一、合成氨反应的限度、速率,1.合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：H92.2 kJmol1，S198.2 Jmol1K1。 (1)可逆性：反应为 反应。 (2)体积变化：正反应是气体体积 的反应。 (3)焓变：H 0，熵变S 0。 (4)自发性：常温(298 K)下，HTS 0，能自发进行。,可逆,缩小,
2、2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较,高压,高温,使用,高压,低温,无影响,高压,使用,增大,增大,降低,合成氨反应条件和选择依据 提高H2转化率的措施有降温、加压、增大N2浓度、降低NH3浓度。,解析 要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。,例1 可逆反应3H2(g)N2(g)2NH3(g) H0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是 A.升高温度，减小压强，增加氮
3、气 B.降低温度，增大压强，加入催化剂 C.升高温度，增大压强，增加氮气 D.降低温度，增大压强，分离出部分氨,答案,解析,解析 对于化学反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。,例2 对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是 A.都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B.都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C.都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影
4、响 D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用,答案,解析,二、工业合成氨的适宜条件,1.工业合成氨的适宜条件,700 K,铁触媒,12.8,氨,2.问题讨论 (1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在11071108 Pa，不采用更高压强的理由是： 、_ _，因此选择压强应符合实际科学技术。 (2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是 。 。,压强越大，对设备的要求越高,压缩H2和N2所需要,的动力越大,合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低,700 K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱,合成氨反应条件和选择依据 工业生产中，必须从反
5、应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。,例3 下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是 A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C.500 左右比室温更有利于合成氨的反应 D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率,解析 催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500 是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。,答案,解析,知识总结,合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让
6、N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离NH3后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。,(1)应选择的温度是_，理由是_ _。 (2)应采用的压强是_，理由是_ _。,例4 已知2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H0的实验数据如下表：,450 ,该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450 反应物转化率较高,1105Pa,常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高,答案,(3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是_ _。 (
7、4)生产中通入过量空气的目的是_。,答案,SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需要分离SO3,增大O2浓度、提高SO2的转化率,例5 CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应H_(填“”或“”)0。实际生产条件控制在250 、1.3104 kPa左右，选择此压强的理由是_ _。,答案,解析,在250 、1.3104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低,解析 从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故H0，综合温度、压强
8、对CO转化率的影响来看，在压强1.3104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。,达标检测,解析 根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，三种条件下化学反应速率降低；条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：条件下化学平衡向右移动；条件下化学平衡不移动。,1.在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有 增大体积使压强减小 减小体积使压强增大 升高温度 降低温度 恒温恒容，再充入N2和H2 恒温恒压，再充入N2和H2 及时分离
9、产生的NH3 使用催化剂 A. B. C. D.,答案,解析,1,2,3,4,5,6,解析 A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释； C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取700 K，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题； D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。,2.下列事实能用勒夏特列原理解释的是 A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B.由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深 C.700 K时比室温更有利于合成氨的反应 D.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应,答案,解
10、析,1,2,3,4,5,6,3.对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是 A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大,答案,解析,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,解析 A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大，错误； B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确； C项，减小反应物浓度，使正反应的速率
11、瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大；错误； D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。,解析 合成氨时选择700 K高温可以加快反应速率，而且工业上用的催化剂在该温度时活性最大；因为初始和转化的N2和H2的浓度比都是13，所以当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是13；平衡时保持体积不变，充入氩气平衡不移动；保持压强不变充入氩气，容器体积变大，反应速率将变小，平衡逆向移动；充入N2并保持体积不变，平衡将正向移动；保持体积不变，升高温度时，平衡逆向移动，混合气体的质量不变，总物质的量变大，平均相对
12、分子质量变小，密度不变。,4.在密闭容器中，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：3H2N22NH3 H0 (1)合成氨时选择700 K高温的目的是_ _。,答案,解析,1,2,3,4,5,6,加快反应速率，工业上用的催化剂在该温,度时活性最大,(2)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是_。 (3)当达到平衡时，充入氩气，并保持体积不变，平衡将_移动。 (4)当达到平衡时，充入氩气，并保持压强不变，平衡将_移动，反应速率将_。 (5)当达到平衡时，充入N2并保持体积不变，平衡将_移动。 (6)当达到平衡时，保持体积不变，升高温度时，混合气体的平均相对分子质量_，密度_。,答案
13、,1,2,3,4,5,6,13,不,逆向,变小,正向,减小,不变,5.合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2AcCONH3Cu(NH3)3COAc(正反应为放热反应) (1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是_。,解析 醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。,答案,解析,1,2,3,4,5,6,低温、高压,(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO
14、的能力以供循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是_。,解析 放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。,答案,解析,1,2,3,4,5,6,高温、低压,6.一密封体系中发生反应：N23H22NH3(正反应为放热反应)下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图： 回答下列问题： (1)处于平衡状态的时间段是_。,答案,解析,1,2,3,4,5,6,0t1，t2t3，t3t4，t5t6,解析 本题主要是学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在这条件下反应已经达到平衡了。所以处于平衡状态的时间段是0t1，t2t3，t3t4，t5t6。从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v逆v正，N23H22NH3(正反应为放热反应)，故温度升高，v逆v正。图中t3时刻比原来的速率大，而且变化过程中v逆v正，说明平衡未被打破，所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻的变化，v逆、v正都减小且v逆v正，所以不可能是温度的影响，应该是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。,1,2,3,4,5,6,(2)t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了改变？_、_、_。 (3)下列时间段中，氨的百分含量最高的是_。 A.0t1 B.t2t3 C.t3t4 D.t5t6,答案,1,2,3,4,5,6,温度升高,加入催化剂,压强减小,A,
