高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨学案 鲁科版选修4-鲁科版高二选修4化学学案VIP专享VIP免费

化学反应条件的优化——工业合成氨学习目标：1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；3.通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。学习重难点：应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。自主学习【知识梳理】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素：化学反应速率化学平衡温度温度越高，反应速率越大升高温度，平衡向吸热方向移动气体压强压强越大，反应速率越大增大压强，平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂正催化剂加快反应速率；受温度影响较大催化剂对平衡移动无影响浓度反应物浓度越大，反应速率越大增大反应物浓度，平衡正向移动【学习探究】探究点一合成氨反应的限度、速率1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.2kJ·mol－1；ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？【答案】假设ΔH和ΔS不随温度变化，由ΔH－TΔS＝－92.2kJ·mol－1－T×(－198.2J·mol－1·K－1)/1000J•kJ－1<0能自发，得T<465.2K。故298K下合成氨反应能自发进行。2．利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？【答案】合成氨反应的特点有①可逆反应；②常温下的自发的反应；③正反应气态物质系数减小；④正反应是放热反应。降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，且N2、H2体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。3．利用条件对反应速率的影响分析。(1)利用升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂来提高合成氨反应的速率。(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，根据关系式分析：①各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。②可以采取增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比条件Ea/kJ·mol－k(催)/k(无)1无催化剂335有催化剂1673.4×1012(700K)说明了使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。[归纳总结]使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件条件速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反应物的浓度增大浓度增大浓度[活学活用]1．能使合成氨反应进行程度增大的方法是()A．升高温度B．降低压强C．使用催化剂D．及时分离出氨气【答案】D2．合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是()A．尽可能延长反应时间B．通入过量的N2C．通入过量的H2D．升高温度【答案】C探究点二合成氨的适宜条件工业合成氨对各种外界条件选择的理由1．压强：高压理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。2．温度：700K理由：(1)因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。(2)但是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。(3)催化剂要在一定温度下催化活性最大。3．浓度：N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1∶3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为1∶2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。4．催化剂：使用铁触媒作催化剂理由：经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在700_K时活性最高。[归纳总结]合成氨的适宜...