高中化学 第二章 化学反应的方向、限度与速率 第四节 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免费

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨[课标要求]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．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。1．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1。理论上增大反应物浓度和增大压强及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。2．升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。3．结合实际生产，合成氨一般选择铁做催化剂，控制反应温度700K左右，高压且n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。1．反应原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)298K时，ΔH＝－92.2kJ·mol－1ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。2．反应特点合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。3．有利于氨生成的措施(1)降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是()A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨反应C．500℃左右比室温更有利于合成氨反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率解析：选B催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是()A．高温B．高压C．使用催化剂D．增大N2的浓度解析：选B提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会降低。1．外界条件对速率的影响(1)浓度在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。(2)催化剂使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。(3)温度温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。(4)压强压强越大，反应进行得越快。2．合成氨反应条件的选择依据工业生产中，必须从反应速率和反应限度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。提高反应的平衡转化率提高化学反应速率性质措施性质措施放热低温活化能高使用合适的催化剂分子数减小高压低温时反应速率低高温反应可逆原料循环利用原料气浓度增大能提高反应速率增大原料气浓度氨气浓度增加能降低反应速率分离氨(1)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主要原因是什么？提示：温度太高，催化剂活性减弱。(2)工业合成氨中为达到最大平衡转化率，反应物的投料n(N2)∶n(H2)＝？提示：n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。实际生产中合成氨的适宜条件1．压强：压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压。2．温度：温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)。3．催化剂：使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁做催化剂。4．浓度：合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去。5．为提高平衡转化率，工业合成采用原料的循环利用。1．在合成氨反应中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，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果解析...