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——工业合成氨课件鲁科版选修4.ppt

第4节化学反应条件的优化 工业合成氨 第2章化学反应的方向 限度与速率 学习目标定位1 应用化学反应速率和化学平衡原理 会选择合成氨的适宜条件 2 体会应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法 一合成氨反应的限度 速率 达标检测提升技能 二合成氨的适宜条件 内容索引 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 H 92 2kJ mol 1 S 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 新知导学 假设 H和 S不随温度变化 由 H T S 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 答案 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 合成氨反应的特点有 可逆反应 常温下的自发的反应 正反应气态物质系数减小 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 答案 3 外界因素对反应速率的影响分析 1 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 各物质的浓度对反应速率的影响 合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成 与氢气浓度的1 5次方成 与氨气浓度的1次方成 可以采取增大 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 N2 H2 反比 正比 正比 说明使用 可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍 3 有 无催化剂对合成氨反应速率影响的对比 催化剂 提高合成氨反应速率和产率的条件 A B C D 1 1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法 从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求 下列所示是哈伯法的流程图 其中为提高原料转化率而采取的措施是 活学活用 答案 2 下列有关合成氨工业的叙述 可用勒 夏特列原理来解释的是A 使用铁触媒 使N2和H2混合气体有利于合成氨B 高压比常压条件更有利于合成氨的反应C 500 左右比室温更有利于合成氨的反应D 合成氨时采用循环操作 可提高原料的利用率 答案 解析 催化剂不影响平衡移动 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 采用循环操作与平衡移动无关 3 在容积相同的四个容器中 按下列要求充入各气体 并加入适当的催化剂 在673K时分别建立平衡 四种情况下H2的转化率由大到小的顺序是 1molN2 3molH2 2molN2 3molH2 1molN2 4molH2 1molN2 4molH2 0 5molNH3 答案 解析 是在 中增加N2 故H2的转化率增大 即 是在 中增加H2 故H2的转化率减小 即 而 是在 基础上增加氨 平衡向逆反应方向移动 H2的转化率变小 故 由此可知H2的转化率由大到小的顺序为 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 Pa 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 又能使 所以理论上压强越大越好 但是压强越大 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 的反应 所以 有利于平衡正向移动 新知导学 对设备的要求越高 平衡正向移动 增大反应速率 2 107 3 107 压缩H2和N2所需要的动力越大 放热 降低温度 2 但是温度越低 越小 达到平衡所需要的时间越 因此温度也不宜太低 3 催化剂要在一定温度下 最大 催化活性 长 反应速率 3 浓度 N2和H2的物质的量之比为1 2 8的投料比 氨应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 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 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 出去 及时将氮气和氢气 使其保持一定的浓度 冷却液化分离 1 2 8 1 3 循环利用 4 催化剂 铁触媒理由 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 实际生产中选用以 为主体的多成分催化剂 铁触媒 它在 时活性最高 700K 铁 合成氨的适宜条件 4 在合成氨工业中 为增加NH3的日产量 下列变化过程不能使平衡向右移动的是 不断将NH3分离出来 使用催化剂 采用700K左右的高温 采用2 107 3 107Pa的压强A B C D 活学活用 答案 5 CO可用于合成甲醇 化学方程式为CO g 2H2 g CH3OH g CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示 该反应 H 填 或 0 实际生产条件控制在250 1 3 104kPa左右 选择此压强的理由是 答案 解析 在250 1 3 104kPa下 CO的转化率已较高 再增大压强CO的转化率提高不大 而生产成本增加 经济效益低 从图像来看 随着温度的升高 CO的转化率变小 故 H 0 综合温度 压强对CO转化率的影响来看 在题给压强下 CO的转化率已经很大 再增大压强 CO的转化率提高不大 但对设备和材料的要求越高 需要的动力更大 会增加投资和能量消耗 不经济 达标检测提升技能 1 在合成氨时 要使氨的产率增大 又要使化学反应速率增大 可以采取的措施有 增大体积使压强减小 减小体积使压强增大 升高温度 降低温度 恒温恒容 再充入等量的N2和H2 恒温恒压 再充入等量的N2和H2 及时分离产生的NH3 使用催化剂A B C D 答案 解析 1 2 3 4 根据题目要求 既要满足增大速率 又要满足使化学平衡向右移动 从反应速率角度分析 三种条件下化学反应速率降低 条件下化学反应速率不变 从平衡移动角度分析 条件下化学平衡向右移动 条件下化学平衡不移动 1 2 3 4 2 不能用化学平衡移动原理说明的事实是A 合成氨在高压下进行是有利的B 温度过高对合成氨不利C 使用催化剂能使合成氨速率加快D 及时分离从合成塔中出来的混合气 有利于合成氨 1 2 3 4 答案 A t2时加入催化剂B t3时降低了温度C t5时增大了压强D t4 t5时间内转化率一定最低 3 某密闭容器中发生如下反应 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 下图表示该反应的速率 v 随时间 t 变化的关系 t2 t3 t5时刻外界条件有所改变 但都没有改变各物质的初始加入量 下列说法中正确的是 答案 解析 1 2 3 4 合成氨反应前后气体系数减小 t2后反应速率增大 但平衡没有移动 说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂 化学平衡不移动 t3时刻应是减小压强 化学平衡向左移动 t5时刻应是升高温度 化学平衡向左移动 所以t6以后转化率最低 1 2 3 4 1 由上表数据可知该反应为放热反应 理由是 4 合成氨反应的平衡常数K值和温度的关系如下 答案 解析 1 2 3 4 随温度升高 反应的平衡 常数K减小 由表可知 升高温度 K值减小 该反应为放热反应 2 某温度下 体积一定的密闭容器中进行反应 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 下列分析正确的是 填字母 a 平衡后 加入N2 该反应的 H增大b 平衡后 加入催化剂 该反应的 H不变c 平衡后 充入NH3 新平衡时 NH3的百分含量变大d 若反应前充入的N2与H2物质的量相等 达平衡时N2的转化率比H2的高 答案 解析 bc 1 2 3 4 H与反应物N2的量无关 H是表示1molN2和3molH2完全反应时的焓变 故平衡后再加入N2 该反应的 H不变 a项不正确 加入催化剂 不影响反应物和生成物的总能量 H不变 b项正确 其他条件不变 平衡后再充入NH3 相当于增大压强 达到平衡时 NH3百分含量增大 故c项正确 若反应前充入的N2和H2的物质的量相等 由于反应中转化的N2和H2的物质的量之比是1 3 所以达到平衡时N2的转化率比H2的低