高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨学案 鲁科版选修4.doc

第4节化学反应条件的优化工业合成氨1知道如何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。(重点)2初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。(难点)工 业 合 成 氨教材整理1合成氨反应的限度1反应原理n2(g)3h2(g) 2nh3(g)298 k时h92.2 kjmol1s198.2 jmol1k1。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13时平衡混合物中氨的含量最高。教材整理2合成氨反应的速率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vk c(n2)c1.5(h2)c1(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。教材整理3合成氨的适宜条件1合成氨反应条件的选择工业生产中，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。2合成氨的适宜条件反应条件压强温度催化剂浓度11071108pa700 k左右铁触媒(铁)使气态nh3变成液态nh3并及时从平衡混合物中分离出去，及时补充n2和h2在硫酸工业中，通过下列反应使so2氧化成so3：2so2(g)o2(g) 2so3(g)h198 kjmol1。(已知催化剂是v2o5，在400500 时催化效果最好)下表为不同温度和压强下so2的转化率(%)：压强转化率温度1105pa1106pa5106pa1107pa450 97.5%99.2%99.6%99.7%550 85.6%94.9%97.7%98.3%问题思考：(1)根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么？【提示】常压、450 、催化剂。(2)在实际生产中，选定400500 作为操作温度，其原因是什么？【提示】在此温度下催化剂的活性最高。(3)根据上表中的数据分析：制取so3时为什么不采用高压？【提示】在常压下so2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。(4)在生产中，通入过量空气的目的是什么？【提示】增大反应物o2的浓度，提高so2的转化率。(5)尾气中的so2必须回收的目的是什么？【提示】防止污染环境。工业生产中化学反应条件优化的原则外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度，减小生成物的浓度不断地补充反应物，及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂无影响加合适的催化剂温度高温h0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取适宜的催化剂压强高压(有气体参加)g0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强题组1合成氨1可逆反应n2(g)3h2(g) 2nh3(g)h0，达到平衡后，为了使氢气的转化率增大，下列选项中采用的三种方法正确的是 ()a升高温度、降低压强、增加氮气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、分离出部分氨气【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，故选d。【答案】d2对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，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 【解析】对化学反应n2(g)3h2(g) 2nh3(g)，催化剂只能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成nh3的反应方向移动。【答案】c3合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。(1)x的化学式为_。(2)图中条件选定的主要原因是_(填字母编号)。a温度、压强对化学平衡的影响b铁触媒在该温度时活性大c工业生产受动力、材料、设备等条件的限制(3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是_，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是_(填字母编号)。【解析】(1)原料气n2和h2经一定条件下的反应，生成的nh3(x)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的n2(y)和h2(y)进行循环利用。(2)中a温度选择在500 并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20 mpa50 mpa是从化学平衡理论分析的压强越大，平衡向生成nh3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)中考查压强、温度对化学平衡的影响。【答案】(1)nh3(2)b、c(3)ca题组2工业生产条件的选择4有平衡体系：co(g)2h2(g) ch3oh(g)h0，为了增加甲醇(ch3oh)的产量，应采取的正确措施是()a高温，高压b适宜温度，高压，催化剂c低温，低压 d高温，高压，催化剂【解析】该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。【答案】b5某工业生产中发生反应：2a(g)b(g) 2m(g)h0。下列有关该工业生产的说法正确的是() a工业上合成m时，一定采用高压条件，因为高压有利于m的生成b若物质b价廉易得，工业上一般采用加入过量的b以提高a和b的转化率c工业上一般采用较高温度合成m，因温度越高，反应物的转化率越高d工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高m的日产量【解析】工业上合成m可能采用常压，如h2so4工业中so3的生成；加入过量b只能提高a的转化率，b的转化率降低；温度越高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。【答案】d6下列有关工业生产的叙述正确的是()a合成氨生产过程中将nh3液化分离，可加快正逆反应速率，提高n2、h2的转化率b硫酸厂靠近原料产地比靠近硫酸消费中心更为有利c由于2so2(g)o2(g) 2so3(g)，所以硫酸生产中常采用高压条件提高so2的转化率d充分利用硫酸厂生产过程中产生的“废热”，可使硫酸厂向外界输出大量的能量【解析】本题考查常见化学工业原理。从原理上讲，合成氨时将氨液化使正逆反应速率都