4、化学反应条件的优化——工业合成氨 (2).doc

郑州中学高二化学化学反应原理导学案 主备：郭明慧 复备：高二化学组 2017-10-17第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨 课 型课 时班 级小 组姓 名新课1课时 使用说明：带有号标志内容，普通班选学。学习目标 1. 通过小组讨论，能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. 通过对合成氨适宜条件的分析，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，并归纳出分析化工生产条件的思路和方法。3. 通过认识化学反应原理在合成氨工业生产中的重要作用，提升对化学反应价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。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复习回顾1. 有关化学反应进行的_（即反应能否自发）、化学反应的_（即反应物能否全部转变为产物）和_（即化学反应的快慢）三方面内容，它们是化学反应原理的重要组成部分。2. 勒夏特列原理的内容：_。3. 化学反应速率的大小首先决定于_，此外还受反应所处条件的影响，其中重要的是_、_、_和_。4.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 （1）观察合成氨的化学反应，说明合成氨反应的特点：_反应；正反应是_热反应；正反应气态物质系数_（即熵_反应）。（2）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？_问题探究问题探究一 合成氨反应的限度和速率问题1 合成氨反应的限度 表1 合成氨平衡混合气中氨的体积分数（原料气中氮氢体积比为1:3）1. 结合表1，利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。_2.根据理论，结合图1， N2、H2体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。 平衡时NH3的体积分数（%）NH3%0.60.50.40.30.20.11：1 1：2 1：3 1：4 1：5 1：6n(N2):n(H2)3图1 原料投料比对平衡混合气中氨的体积分数的影响问题2 合成氨反应速率1. 实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为: =kC(N2)C1. 5(H2)C1(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？_2. 表2 催化剂对合成氨反应速率的影响条件 Ea / kJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.41012(700k)使用Fe催化剂167根据下表2所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：_3. 你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？_【小结】根据以上理论分析，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请将你的建议填入下表。外界条件使NH3生产得快使NH3生产得多速率分析平衡分析压强温度催化剂反应物的浓度生成物氨的浓度探究二 合成氨的适宜条件【资料一】高温高压条件下，氢气会使钢脱碳，导致氢腐蚀，使钢的机械性能下降，氢气会渗透到钢材内部，使钢材出现裂纹。【资料二】哈伯合成氨使用的催化剂锇是一种贵重金属，储量较少，开发成本高，粉末状的金属锇，常温下会逐渐氧化成四氧化锇。四氧化锇在48时熔化，在130时沸腾。锇蒸汽有剧毒，强烈刺激人眼黏膜，严重会造成失明。【资料三】当氮气与氢气体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高，但是氮气在催化剂上吸附是反应中最难发生的步骤，是影响反应速率的关键步骤。【资料四】【交流研讨】研讨的内容研讨问题研讨的结果选择的理由1. 既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2. 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好温度怎么选择？3. 催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？要不要用催化剂？用什么？4. 氮气与氢气物质的量之比为什么是1:2.8而不是1:3【小结1】实际生产中合成氨的适宜条件：(1)压强：_。(2)温度：_ K左右。 (3)催化剂：_。(4)浓度：及时补充_，增大反应物浓度。及时分离出_，减小生成物浓度。(5) N2 和H2的比例_。【小结2】工业生产条件的选择与优化一般思路与方法：（1） 条件的选择_和_共同作用的结果。（2） 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。（3） 考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。课后训练 1. 在合成氨工业中，实现下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是（ ） A. 为增加NH3的日产量，不断将NH3分离出来 B. 为增加NH3的日产量，使用催化剂 C. 为增加NH3的日产量，采用500左右的高温 D. 为增加NH3的日产量，采用21075107Pa的压强2. 工业上合成氨时一般采用500左右温度，其原因是：适当提高氨的合成速率， 提高H2转化 率；提高氨的产率；催化剂在500时活性最大（ ）A. B. C. D. 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。其中氨气只占13%14%，所以生产氨的工厂的效率都很低 B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高 C. 合成氨反应温度控制在500左右，目的是使化学平衡向正方向移动 D. 合成氨采用的压强是21075107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大4. 有平衡体系CO（g）2H2（g） CH3OH（g），H0。为了增加甲醇的日产量，从理论上来讲应该采取的正确措施是（ ） A. 高温、高压 B. 适宜的温度、高压、催化剂 C. 低温、高压 D. 高温、高压、催化剂5. 合成氨所需要的氢气可由煤与水反应制得，其中有如下反应 CO（g）H2O（g）CO2 （g）H2（g），H0. 欲提高CO的转化率可采用的是降低温度增大压强 使用催 化剂 增大CO的浓度 增大水蒸气的浓度（ ）A. B. C. D. 6. 工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N2(g)3H2(g) 2NH3(g)反应的图像中，错误的是( ) 7. 某条件下合成氨达平衡时氨的体积分数为25%，若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比是（）A1/5 B. 1/4 C. 1/3 D. 1/2我国合成氨工业开始于20世纪30年代。1949年新中国成立时只有三家合成氨厂，年生产能力不到6000吨。经过几十年的努力，我国现已拥