2019人教版高中化学选修2第3课时《合成氨的反应原理》word导学案.doc

第3课时 合成氨的反应原理学案【学习目标】1.了解合成氨的反应原理。2.了解如何利用反应速率和化学平衡知识，选择合成氨的适宜条件。【重点难点】合成氨的反应原理和合成氨的适宜条件课前预习【情景材料】利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年的时间。化学反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、氮的存在和固定1存在地壳中含量只有 ，大气中氮气占空气体积的 。2氮的固定(1)概念：氮的固定是指 的方法。 (2)分类二、合成氨的反应原理1.反应原理：用氢气和氮气合成氨的化学方程式为： 。如下图合成氨装置加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体，可以看到润湿pH试纸变 色。2.反应特点：合成氨反应是一个 、 、 的反应。3.反应条件：工业上，合成氨的适宜条件为 、 、 。预习内容答案一、1.0.04% 78%2.将游离态氮转化为化合态氮 通过闪电等产生氮的化合物 豆科植物的根瘤菌固氮 工业合成氨二、1.N23H22NH3 蓝2.可逆 放热 气体分子总数减少 3.铁为主的催化剂 400500，1030 MPa堂中互动【问题探究1】利用课本P9的图1-4氮的自然界的循环来理解如何有效利用廉价的自然资源来生产含氮化合物？哪一种自然过程可能会成为工业化生产过程？【教师点拨】将游离态氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定，把握概念与物质的性质。分析解答:氮的自然界的循环图中可以找到氮气与含氮化合物之间的转化，从氮的固定概念出发找到物质间的转化方式与氮的固定的分类。【即学即练1】农作物生长发育需要大量的氮养分，除了可用人工固氮方法(合成氨)获得氨态氮外，自然界雷电现象也是一种固氮途径，经由雷电固定的氮是硝态氮(硝酸或硝酸盐形式)，写出氮气转化为硝酸的化学方程式_，_，_。1.N2O22NO2NOO2=2NO23NO2H2O=2HNO3NO【解析】电闪雷鸣的雨天，会产生放电现象，使空气中的氮气和氧气反应生成了一氧化氮，一氧化氮又被氧气氧化成二氧化氮。二氧化氮在雨水中与水反应生成硝酸。【问题探究2】合成氨反应是一个可逆反应：N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) 。已知298K时：H = -92.2 kJmol-1，S = -198.2 JK-1mol-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？请同学们写出合成氨反应的热化学方程式，并讨论说明合成氨反应的特点。【教师点拨】估算得出HTS0，推知该反应可以自发进行。书写合成氨反应的热化学方程式。分析解答 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H = -92.2 kJmol-1归纳：可逆反应；正反应是放热反应；正反应是气体的物质的量减小（或熵减小）的反应。【即学即练2】对于可逆反应N2(气)3H2(气) 2NH3(气)H0，下列说法正确的是()A达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等B达到平衡后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大C达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动D加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率2.B【解析】往往错选C、D，原因：对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为B。【问题探究3】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。1.你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率和参与反应的物质的浓度的关系式为： = k c (N2) c1.5(H2) c -1(NH3)。请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？3.请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：条件EakJmol-1k (催) / k (无)无催化剂 3353.41012(460)使用铁催化剂 167【教师点拨】选择适宜生产条件的原则： 既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的矛盾性。 既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。 既要注意理论上的需要，又要注意实际操作的可能性。分析解答：1.合成氨的工业条件的选择反应速率和化学平衡共同作用的结果。2.选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。【即学即练3】下列有关合成氨工业的说法中，正确的是()A.从合成塔出来的混合气体中，氨气占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B.由于氨易液化，N2和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在500 ，目的是使化学平衡向正反应方向移动D.我国合成氨厂采用的压强是1030 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大3.B【解析】虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%，但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所以生产NH3的效率还是很高的，因此A项不正确。控制反应温度为500 ，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，因此，C选项不正确。增大压强有利于NH3的合成，但压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，我国的合成氨厂一般采用11073107Pa，但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大，因此，D选项不正确。练案A组（课堂反馈 满分50分）一、选择题（每小题5分，共35分）1.将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮，下图中能实现人工固氮的是() 1.D【解析】A错，因为闪电作用下的固氮是自然固氮。B错，因为与固氮风马牛不相及。C错，因为它属于自然固氮。D对，因为N23H22NH3只能靠人工完成。2.为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是()A.研制高温下活性较大的催化剂B.寻求NH3的新来源C.研制低温下活性较大的催化剂D.研制耐高温高压的新型材料建造合成塔2.C【解析】合成氨的反应是放热反应，降低温度有利于提高合成氨的生产效率。3.下列关于氮气、氢气合成氨的说法中，正确的是()A.将氮气、氢气合成氨，必须施加高温、高压、催化剂等反应条件B.在氮气、氢气合成氨的化学反应中，催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一定的制约作用C.现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮D.现代工业上实施的合成氨属于人工固氮3.BD【解析】催化剂是影响化学反应速率外部因素中的主角。催化剂的性能强了，可以适当降低反应物的温度和压强；催化剂的性能弱了，就要适当的提高反应物的温度和压强。催化剂固有性能的发挥与温度有直接的关系，温度太高或太低，都会降低催化剂的活性。生物固氮，是自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根廇菌)以自身的固氮酶为催化剂，在常温、常压下，通过生物化学过程，将空气中的氮气转化成含氮化合物的固氮过程。仿生固氮是人为的利用具有固氮酶作用的人造催化剂在常温、常压下的固氮。显然，现代工业上实施的合成氨不属于仿生固氮。4.合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是( )。减压 加压 升温 降温 及时从平衡混合气中分离出NH3 补充N2或H2 加催加剂 减小N2或H2的量A. B. C. D.4.C【解析】合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g) H0的特点为：正反应放热且气体体积减小，要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选C。5.工业上用氮气和氢气合成氨：N2+3H22NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：20 MPa50 MPa，温度：500 左右，催化剂：铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是() A.使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率 B.工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨 C.上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D.温度升高，不利于提高反应速率5.BD 【解析】使用铁触媒能等幅度地加快正、逆反应速率，虽然平衡不发生移动，但能缩短达到合成氨平衡的时间。但对于可逆反应，无论什么条件下，都不可能进行到底。通过改变影响化学平衡移动的条件(如温度、反应物的浓度、压强等因素)，可以改变化学反应进行的限度。温度升高，有利于提高反应速率。6.合成氨工业中，常加热至500,下列有关叙述正确的是（ ）A.为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间 B.加快v正，减小v逆 C.使平衡向合成氨的方向移动 D.提高原料转化率6.A【解析】合成氨是放热反应，采用500的高温，从化学平衡上看，由于合成氨反应放热，不利于氨的合成。但是为了提高反应速率，更快、更多的生成氨，也采用适当的高温。7.在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%。若反应前后保持条件不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是（ ）A. 1/5 B. 1/4 C. 1/3 D. 1/2 7.A【解析】设平衡后混合气体的体积为100mL，则其中氨的体积为25mL。由反应的化学方程式N23H2 2NH3 可以看出，每生成2体积的NH3，反应体系的总体积也缩小2体积，从而推知，反应后缩小的气体体积和平衡后混合气体中NH3的体积相等，即缩小的气体体积为25mL，则反应前的气体体积为100mL25ml125mL.反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是251251/5，即选项A正确。二、填空题（共15分）8.(7分) 已知：N2(g)3H2(g) 2NH3(g) H0，2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H0。请回答下列问题：(1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是_。实际生产中采取的措施是_ _。(2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是_；而合成SO3的过程中，则不需要分离出SO3，原因是_。8.(1)适当温度、高压、催化剂(1分)合成氨：适当温度、高压、催化剂；(1分)合成SO3：适当温度、常压、催化剂(1分)(2)减小生成物的浓度，使平衡向生成NH3的方向移动(2分)该反应向生成SO3的方向进行的程度较大，达到平衡后SO2剩余量较少，故不需要分离SO3(2分)【解析】工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的，原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行的程度已经很大，采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动，但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求，综合生产成本和经济效益两方面因素，实际生产时，在常压下进行最合理。9.(8分) 工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应： N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ，其部分工业流程如下： 回答下列问题：(1)已知：N2(g)+O2(g)=2NO(g) H=180.5kJ/mol4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)H=-905kJ/mol2H2(g)+O2(g)=2H2(g) H=-483.6kJ/mol则N2(g)+2H22NH3(g)的H=_；(2)如果工业上，在一定温度下，将1.5molN2气体和6molH2气体通入到体积为1升的密闭容器中。当反应达到平衡时，容器内气体的压强为起始时的80%，则其平衡常数为_ 。改变下列条件，能使平衡向正反应方向进行且平衡常数不变的是_ ;增大压强增大反应物质的浓度 使用催化剂 降低温度(3)合成氨反应的平衡常数很小，所以在工业采取气体循环的流程。即反应后通过降低混合气体的温度而使氢气分离出来。这种分离物质的方法其原理类似于下列哪种方法？_(填编号) ，理由是_。过滤 蒸馏 渗析 萃取8. (1)-92.4kJ/mol（1分） (2)0.057(molL-1)2（2分），（2分）(3)（1分）；通过温度的改变而改变物质的状态，达到分离的目的。(如果没有谈到状态的改变，而只说温度不得分) （2分）。【解析】合成氨工业，盖斯定律的应用，构造方程式，求反应热。三段法计算，求出平衡时各物质的浓度，进而求平衡常数。要注意的时平衡常数不受温度的影响，催化剂只能改变速率不能影响平衡移动。B组（课后拓展）1.氨在工农业生产中应用广泛。在压强为30MPa时，合成氨平衡混合气体中NH3的体积分数如下：温度/C200300400500600氨含量/%899710470264138 请回答：(1)根据表中数据，结合化学平衡移动原理，说明合成氨反应是放热反应的原因是 。(2)根据图，合成氨的热化学方程式是 。(3)在一定温度下，将2molN2和6molH2通入到体积为1L的密闭容器中，发生反应 N2+3H2 2NH3 ，2min达到平衡状态时，H2转化率是50%，则用H2表示该反应的平均速率v(H2)= ；该温度下的平衡常数K= (用分数表示)；欲使K增大，可以采取的措施是 。(4)从化学平衡移动的角度分析，提高H2转化率可以采取的措施是 (选填序号字母)a及时分离出NH3b升高温度 c增大压强d使用催化剂 1.(1)温度升高，氨在混合气体中体积分数减小，平衡逆向移动，温度升高平衡向着吸热反应方向移动，故正反应是放热反应(2)N2(g)3H2(g)=2NH3(g) H=92.2kJmol-1(3)1.5molL-1min-1；4/27；降低温度 (4)ac【解析】(1)据表中数据可知，随温度升高，氨的体积分数减小，平衡逆向移动，升温平衡向着吸热反应的方向移动，逆反应是吸热反应，故正反应是放热反应。(2)每0.5mol N2反应生成1mol NH3的焓变H= 46.1kJmol-1，则每1 mol N2反应生成NH3的焓变H=2(46.1 )= 92.2kJmol-1，则该反应的热方程式为N2(g)3H2(g)=2NH3(g)；H=92.2kJmol-1。(3)2min达到平衡状态时，H2转化率是50%，转化的n(H2)= 650%=3mol，参加反应N2的物质的量为1mol，生成氨为2mol，则v(H2)=3mol /(1L2min)= 1.5molL-1min-1；该温度下的平衡常数K=c2(NH3)/c(N2) c3(H2)= 22/133 =4/27；该反应正反应为放热反应，降低温度有利于平衡正向移动，平衡常数K增大。(4)减小生成物NH3浓度、增大压强、降温及增大反应物N2的浓度均能使平衡向右移动，且H2的转化率提高，答案为ac。2.某研究性学习小组利用以下材料来探究NH3的还原性，部分实验装置如下图。材料一NH3是强还原剂，能将某些金属氧化物还原为金属单质或低价态的氧化物。如：2NH33CuO3CuN23H2O；材料二Cu在酸性溶液中不稳定，可发生自身氧化还原反应生成Cu2和Cu，Cu2O2H=Cu2CuH2O。请回答下列问题：(1)在实验室里，该学习小组设计下列制取纯净干燥氨气的方案，简易、可行的最佳方案是_。A加热氯化铵固体，再通过碱石灰B在N2和H2的混合气体中加入铁触媒，并加热至500 ，再通过碱石灰C加热浓氨水，再通过碱石灰D在生石灰中加入浓氨水，再通过碱石灰(2)为证明NH3还原CuO的反应中有水生成，B中应放入的试剂是_。(3)当观察到_(填现象)，即表明A中的反应已经完成。(4)该小组欲用体积比为14的稀硫酸作试剂，检验反应是否有Cu2O固体生成。现用98%的浓硫酸配制14的稀硫酸，所需的玻璃仪器除了胶头滴管外还有_ _。可证明还原产物中含有Cu2O的操作及现象是_。(5)请写出A中生成Cu2O的化学方程式_。(6)若用定量的方法测定该反应是否生成Cu2O，最简便且准确的方法是_。2.(1)C(2)无水硫酸铜 (3)A中固体由黑色完全变为红色(4)烧杯、量筒、玻璃棒加入硫酸后溶液呈蓝色(其他合理答案也可)(5)2NH36CuO3Cu2ON23H2O(6)称量反应前后装置A中固体的质量【解析】若加热氯化铵生成的氯化氢气体与氨气继续反应生成氯化铵固体，很难使气体放出，而利用氮气和氢气反应条件太复杂，C、D都可以快速制取氨气，而C用料更简单。反应为通入氨气还原氧化铜，根据固体的颜色变化可以判断反应进行的程度。根据Cu在酸性溶液中的不稳定性来判断。3.现在普遍应用的工业合成氨的方法是哈伯于1905年发明的，但此法反应物的转化