高中化学（情景导入+课前导读+知识解惑+课堂演练）第二章 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 化学反应的方向 限度与速率 用n2和h2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个艰巨的课题 从第一次实验室研制到工业化生产 经历了从18世纪末到20世纪初的一百多年的时间 由于化学反应的快慢和限度 催化剂等基础理论的发展 高温 高压等工业技术条件的改善 以及许多研究工作者的反复实验 德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应 终于在1913年实现了合成氨的工业化生产 满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求 因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人 问题 根据合成氨反应原理 n2 g 3h2 g 2nh3 g h 92 2kj mol 1 外界条件对合成氨反应平衡有何影响 1 合成氨反应是一个能自发进行的放热反应 同时也是气体的物质的量 的 反应 因此 温度 压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动 在一定温度 压强下 反应物氮气 氢气的体积比为 时 平衡混合物中氨的含量最高 2 依据平衡移动的原理可知 合成氨反应在 压和 温的条件下进行时 才能得到较高的产率 但是 高压条件对设备提出了苛刻的要求 而反应温度的降低势必 达到化学平衡的时间 致使生产效率降低 失去工业化生产的意义 1 3 减小 熵减 降低 增大 延长 高 低 3 由反应速率与参与反应物质的浓度的关系式可知 合成氨反应的速率与氮气浓度的 次方成正比 与氢气浓度的 次方成正比 与氨气浓度的 次方成反比 在反应过程中 随着氨的浓度的增大 反应速率会逐渐 因此为了保持足够高的反应速率 应适时将 从混合气中分离出来 在其他条件相同的情况下 使用 可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍 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 催化剂 1 1 5 1 降低 氨 4 目前 合成氨生产中一般选择 作为催化剂 控制反应温度在 左右 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强 通常采用氮气与氢气的物质的量之比为 的投料比 1 2 8 铁 700k 5 对合成氨反应条件的综合分析 1 从合成氨的化学平衡分析 有利于提高转化率的措施 2 从合成氨的反应速率分析 3 选择合成氨的条件时 既不能片面的追求高转化率 也不能只追求高反应速率 而应该寻找较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件 此外 还应该考虑原料的价格 未转化的合成气 h2和n2 的循环使用 反应热的综合利用等问题 分离 降低 提高 提高 使用 正 合成氨反应的限度 1 分析合成氨反应的自发性已知 n2 g 3h2 g 2nh3 g h 92 2kj mol 1 s 198 2j k 1 mol 1在298k时 h t s 92 2kj mol 1 298k 198 2 10 3 kj k 1 mol 1 33 1kj mol 1 0 故该反应在298k时能自发进行 2 合成氨的条件该反应是正反应体积减小 放热 熵减的可逆反应 由化学平衡移动原理及影响平衡移动的条件知 合成氨的理想条件是 低温 高压 实验表明 在一定的温度和压强下 反应物n2 h2的体积比为1 3时 平衡混合物中氨的含量最高 保持温度 压强不变 合成氨反应达到平衡状态时 进行如下操作 平衡不发生移动的是 a 恒温 恒压时 充入nh3b 恒温 恒容时 充入n2c 恒温 恒压时 充入hed 恒温 恒容时 充入he 解析 本题考查浓度对化学平衡的影响 在恒温 恒压时 向平衡体系中加入nh3 体系体积增大 由于加入物质是生成物 实际上是等于减少了反应物的浓度 反应物的体积变大 而物质的量没变 此时 正反应速率小于逆反应速率 平衡向左移 故a将发生移动 在恒温 恒容时 充入n2使容器内压强增大 由于整个体系的体积不变 所以加入n2后 反应物n2的浓度增大 所以平衡向右移动 故b发生移动 在恒温 恒压时 加入he 使整个体系做等压膨胀 体积变大 he虽然不参与化学反应 但由于体积的膨胀 而使平衡混合物中的n2 h2 nh3的浓度都相应减小 结果 反应物浓度减小的程度比生成物浓度减小的程度大 此时正反应速率小于逆反应速率 平衡左移 故c发生移动 在恒温 恒容时 向体系中加入he 使整个体系压强增大 但由于he不参与反应 对于参加反应的物质而言 它们的物质的量和体积都没有变化 所以浓度没变 故平衡不发生移动 答案 d 合成氨的反应速率 1 由平衡移动的原理可知 合成氨要在高压和低温下才能得到较高的产率 但是高压条件对设备的要求高 而反应温度的降低势必延长达到化学平衡的时间 致使生产效率降低 失去了工业生产的意义 因此在寻找最佳的生产条件时 除了考虑反应的限度外 还需要研究哪些措施可以用来提高化学反应速率 2 增大反应速率的方法 可以采用升高温度 增大压强 增大反应物n2 或h2 的浓度及使用催化剂等措施来提高合成nh3的反应速率 3 浓度对化学反应速率的影响从v kc n2 c1 5 h2 c 1 nh3 知 在一定的温度 压强下 化学反应速率与反应物浓度c n2 或c1 5 h2 成正比关系 与生成物浓度c nh3 成反比关系 因此可以采用增大反应物浓度 减小生成物浓度来提高化学反应速率 4 催化剂对化学反应速率的影响 加催化剂可以使反应的活化能从335kj mol 1降低为167kj mol 1 3 4 1012 700k 表明 使用催化剂后可以使合成氨的反应速率提高上万亿倍 因为催化剂改变了反应的历程 降低了反应所需的活化能 增大了反应速率常数 大大提高了化学反应速率 结论 从化学反应速率理论方面分析 增大反应物浓度 使用合适的催化剂 增大压强及升高温度都可以增大合成氨的反应速率 对于合成氨的反应来说 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 本题考查运用平衡移动原理及化学反应速率理论来解决问题的实际应用能力 对于化学反应n2 g 3h2 g 2nh3 g 催化剂只能降低反应所需活化能 增大反应速率常数 提高反应速率 缩短达到平衡状态所用时间 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时间缩短 也能使化学平衡向生成nh3的方向移动 答案为c 答案 c 在一定条件下 将10 0molh2和1 0moln2充入恒容密闭容器中 发生反应n2 g 3h2 g 2nh3 g 并达到平衡状态 则h2的转化率可能是 a 15 b 30 c 35 d 75 解析 对可逆反应而言 任何一种物质都不能完全转化 为方便解题 假设n2完全转化 则消耗h2的物质的量为 n消耗 h2 3n n2 3 0mol事实上 n2完全转化是不可能的 因而消耗h2的物质的量绝对小于3 0mol 故h2的最大转化率 最大 2 100 30 观察备选项可知答案 答案 a 合成氨的适宜条件 1 化学反应条件的优化化学反应速率和化学平衡的调控在生活 生产和科学研究领域起着重要的作用 在实际生产中应当运用对立统一的规律 综合化学反应速率和化学平衡移动原理 既考虑反应的快慢 反应速率的大小 又考虑反应进行的程度 化学平衡 在这个过程中还要坚持以下三个原则 既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性 又要注意对二者影响的矛盾性 既要注意温度 催化剂对反应速率影响的一致性 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 又要注意实际生产的可能性 2 对于某一特定的实际反应 选取适宜的外界条件的基本思路 1 从可逆性 反应前后条件系数的变化 焓变三个角度分析化学反应的特点 2 根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响 从速率和平衡的角度进行综合分析 再充分考虑 例如 合成氨的工业生产 压强 温度一定时 增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利 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 一般采用2 107 5 107pa 温度 从平衡的角度考虑 合成氨低温有利 但是温度过低反应速率变慢 需要很长时间才能达到平衡 很不经济 所以实际生产中 采用500 左右的适宜温度 在此温度时催化剂的活性最大 催化剂 为了加快反应速率 采用以铁为主体的铁催化剂 浓度 不断地补充氮气和氢气 及时地分离出氨气 可逆反应3h2 g n2 g 2nh3 g h 0达到平衡后 为了使h2的转化率增大 下列选项中采用的三种方法都正确的是 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 解析 本题旨在考查影响化学平衡的外界因素的应用与分析 本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率 就是在不增加氢气的情况下 改变合成氨反应的其他条件 使更多的氢气转化为氨 从化学平衡分析也就是使平衡向正反应方向移动 先分析温度的影响 合成氨是放热反应 从理论上分析应采用尽可能低的温度 选项a c中升高温度是错误的 合成氨反应前后都是气体物质 反应前气体体积比反应后气体体积更大 所以增大压强会使平衡向气体体积减小的方向移动 即向正反应方向移动 选项a是错误的 其他选项中增大压强是正确的 有关浓度的影响 增大反应物浓度或减小生成物浓度 会使平衡向正反应方向移动 在合成氨反应中增加氮气和减少 分离出 氨可以使反应向正方向移动 加入催化剂可加快反应 但对平衡移动无影响 选项b是错误的 所以只有选项d是正确的 答案 d 合成氨的反应 n2 g 3h2 g 2nh3 g 在一定条件下已达到平衡状态 1 此时 相等 保持不变 而 却仍在进行 因此化学平衡是 平衡 2 若降低温度 会使上述化学平衡向生成氨的方向移动 则正反应是 反应 生成1摩尔氨的反应热是46 1kj 则该反应的热化学方程式为 3 合成氨时 选择500 高温的目的是 4 若反应容器的体积不变 原反应温度不变 而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍 则上述平衡向 移动 若在平衡体系中加入氦气 则上述平衡 移动 解析 解决此问题的关键是 1 根据化学平衡状态的定义及特点可知 反应达到平衡状态时 正 逆反应速率相等 各反应物和生成物的浓度保持不变 而正 逆反应却仍在进行 因此化学平衡是动态平衡 2 由温度对化学平衡的影响可知 降低温度使化学平衡向正反应方向移动 则正反应一定是放热反应 由题意知 生成2mol氨的反应热是46 1kj 2 即92 2kj 则合成氨反应的热化学方程式为n2 g 3h2 g 2nh3 g h 92 2kj mol 1 3 升高温度和加入催化剂都能加快反应速率 工业上用的催化剂在该温度时活性最大 4 若保持反应容器的体积和反应温度不变 将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍 其效果相当于增大体系的压强 根据压强对化学平衡的影响 可判断上述平衡应该向正反应方向移动 若在平衡体系中加入氦气 氦气不参与反应 由于反应容器的体积和反应温度都不变 氦气的加入只是增大了容器内总的压强 并未改变反应体系的压强 因此氦气的加入对上述平衡没有影响即化学平衡不移动 答案 1 正 逆反应速率各反应物和生成物的浓度正 逆反应动态 2 放热n2 g 3h2 g 2nh3 g h 92 2kj mol 1 3 加快反应速率 工业上用的催化剂在该温度时活性最大 4 正反应方向不 合成氨生产的工艺流程探究 1 生产流程 制气 净化除杂 压缩 合成 冷却分离 循环压缩 合成氨生产示意图 2 原料气的制备 1 n2物理方法 将空气液化蒸发分离出n2 由于相对分子质量越大 分子间作用力越大 空气中所含气体的沸点 n2 o2 co2 h2o g 因此 高压下将空气液化后 经减压蒸发 最先得到的是n2 然后还可以得到o2等 此法是目前工业上制取n2和o2的主要方法 工业上的化学方法 用煤在空气中燃烧 除去o2 吸收co2 如用氨水吸收制nh4hco3 后 得到n2 2 h2工业上用水蒸气与焦炭在高温下反应 吸收co2后制得 c h2o g co h2co h2o g co2 h2工业上也可用碳氢化合物与氧气或水蒸气反应生成co2和h2 吸收co2后制得h2 如ch4 h2oco 3h2 co h2oco2 h2 3 原料气净化 除杂 压缩后通入合成塔 催化剂 4 nh3的合成在合成塔中进行 从塔口进气 经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后 进入接触室与铁触媒接触反应 从塔下口出气 5 nh3的分离混合气经冷却后 进入氨分离器 只有氨气在该压强下液化得到液氨 而未反应的n2和h2经循环压缩机压缩后 再通入合成塔中进行反应 因此 虽然合成氨反应的产率不高 但经过循环反应后 n2和h2可以全部转化为nh3 此外 如果让n2和h2的混合气体 只一次通过合成塔起反应也是很不经济的 应将与nh3分离后的原料气循环使用 并及时补充n2和h2 使反应物保持一定的浓度 以有利于合成氨反应 下面是合成氨的简要流程示意图 请回答下列问题 沿x路线回去的物质是 其体积比为 解析 合成氨的反应是一个可逆反应 所以从合成塔中出来的气体主要是n2 h2和nh3 在冷凝器中nh3因沸点低被冷凝 沿x路线回去的气体是n2和h2 且其体积比为1 3 因为充入的n2和h2的体积比是1 3 反应的n2和h2的体积比是1 3