高二化学化学反应条件的优化工业合成氨知识精讲鲁教版

1、高二化学化学反应条件的优化工业合成氨知识精讲鲁教版一. 教学内容：第3节 化学反应条件的优化-工业合成氨二. 教学目的：1. 了解工业生产条件选择的依据和原则。2. 认识合成氨的化学原理，逐步掌握用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨 的条件。3. 了解合成氨生产的主要流程。三重点、难点：工业合成氨条件的选择过程四知识分析：(一)选取适应的反应条件的依据1. 从可逆性、反应前后气体的系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。2. 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，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。外界条件有利于增大速率 的条件控制有利

2、于平衡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，减小产物的浓度不断的补充反应物，及时的分离出 产物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度咼温Hv0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适 宜温度 H >0高温在设备条件允许的前提下，尽量采 取高温并选取催化剂压强高压(有气体参 加) n (g) v 0 高压在设备条件允许的前提下，尽量采 取咼压 n (g) > 0 低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强(二)合成氨的工业生产：1. 反应特点：N2 (g) + 3H2 (g)2NH3 ( g)可逆反应，正向 H v 0,正向 n ( g)v 02. 反应的自发性和限度

3、【算一算】已知在 298K时，合成氨反应的厶 H = 92.2kJ mo1 S= 198.2J K 1 mol 1计算该反应在298K时能否自发进行？解答： H T S= 92.2kJ mol 1 + 298K x 198.2J K 1 mol 1 = 33.1kJ mol 1 v 0，故该反应在298K时能自发进行。又知，该反应在 298K时的平衡常数 K为：4.1 x 106 ( mol L) 2。由平衡移动原理可 知，欲提高氨的产率，应该采用高压、低温的条件。由上述可以看出，合成氨反应在298K时，反应能自发进行，合成氨的反应限度也很大，但是反应速率又如何呢？3. 反应速率实验研究表明，

4、在特定条件下，合成氨反应的速率公式为：V = kc ( N2) c1.5 ( H2) c 1 (NH3)据阿伦尼乌斯经验公式，高温和有催化剂将能提高其速率常数，加快反应速率；而加压则能够更大程度上增大 N2、H2的浓度，从而加快反应速率。4. 各种外界条件对速率和平衡的具体影响：(1) 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，对材料的压强和设备的制造要求越高，一般采用2 x 1075 x 107Pa(2) 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很慢，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 C左右的适

5、宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。(3) 催化剂：为了加快反应速率，采用以铁为主的铁催化剂。(4) 浓度：不断的补充氢气和氮气，及时的分离出氨气。5. 合成氨的适宜条件： 500C、铁触媒、2X 1075X 107Pa；循环操作过程； N2与H2浓度 比约为1 : 3 (因为在一定温度和压强下，原料气配比符合化学方程式中的系数比时，产物的平衡产量可达最高值，实际为1 : 2.8)o6. 生产流程：(1) 造气原料气中的氮气来自于空气，而氢气来自于含氢的天然气、煤、炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4+ H2O = CO+ 3H2CO + H2O = CO2+ H2(2) 净

6、化：消除造气过程夹带的杂质，防止催化剂中毒。(3) 合成氨：包括终端产品氨的分离，氮气、氢气的循环利用，热交换原理的应 用等。【典型例题】例1.在一定条件下，可逆反应 N2 ( g) + 3H2 (g)2NH3 (g) (正反应放热)达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述中错误的是()A. 加催化剂，v正、v逆都变化，且变化的倍数相等B. 加压，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于 v逆增大的倍数C. 降温，v正、v逆都减小，且v正减小的倍数大于v逆减小的倍数D. 加入氩气，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数解析：催化剂的加入，同等倍数的改变正、逆反应速率，A正确；而加压

7、，平衡将向右移动，故v正增大的倍数大于v逆增大的倍数，B正确；降温，平衡向放热的方向一一向右移 动，v正减小的倍数小于v逆减小的倍数，C错误；恒温、恒容通氩气，各物质浓度不变，平 衡不移动，v正、v逆都不变，D错误。答案：CD点评：本题考查外界条件对化学反应速率的影响规律，要注意结合平衡移动原理来进行分析。例2.合成氨工业中，常加热至 500 C，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. 提高原料转化率解析：合成氨是放热反应，采用500 C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

8、了提高反应速率，更快、更多的生成氨，也采用适当的高温。答案：A点评：工业反应条件的选择，要综合反应的限度、速率甚至设备等因素一起考虑，不能单方面考虑问题。例3.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. 1/5B. 1/4C. 1/3D. 1/2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N2+ 3H2- 2NH3可以看出，每生成 2体积的NH 3，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

9、缩小的气体体积为25mL ,则反应前的气体体积为 100mL + 25ml = 125mL.反应后缩小的气体体积与 原反应物体积的比值是 25 : 125 = 1/5，即选项A正确。答案：A点评：本题考查“差量法”的灵活应用。例4.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400C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+ 3H2 2molN 2+ 3H2 1molN 2+ 4H2 1molN 2+ 4H2 + 0.5molNH 3 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&#

10、39;。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，有。由此可知 H2的转化率由大到小顺序为'。答案：'点评：改变相关物质的浓度，化学平衡发生移动，这是考虑这类问题的出发点。【模拟试题】1.在密闭容器中进行合成氨的反应, 倍，则产生的结果是()A.平衡向正反应方向移动C.平衡不移动.选择题:达到平衡后，将体系中各物质的浓度增大到原来的2B. 平衡向逆反应方向移动D. NH 3的百分含量增加2. 合成氨所需要的氨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), H > 0.欲提高CO的转化率可采用的方法

11、是()降低温度增大压强7使用催化剂增大CO的浓度增大水蒸气的浓度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 C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 2X 1075X 107Pa,因为该压强下铁触媒的活性最大4. 1molN2和3molH2混合发生反应 N2+ 3出2NH3,达到平衡时，测得平衡混合物的密度是同温.同压下H2的5倍，则N2的转化率为()A. 75%B 2

12、5%C 30%D 10%5. 有平衡体系CO ( g)+ 2H2 (g)、' CH 3OH (g), H v 0。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6. 以焦炭为主要原料合成氨，为了使通入合成塔的 N2和H2保持1: 3的体积比，则焦炭与空气的物质的量之比约为()A. 1 : 3B. 3 : 2C. 6 : 5D. 4 : 37. 在一定条件下，向密闭容器中加入30mLCO和20mL水蒸气，使其发生反应，当CO(g)+ H2O (g)CO2 (g) + H2 (g)达到平衡时，水蒸气

13、的体积分数与H2的相等，则下列叙述错误的是()A.平衡后CO的体积分数为40% B.平衡后CO的转化率为25%C.平衡后水蒸气的转化率为50% D.平衡后混合气体的平均相对分子质量为248. 在一定条件下，可逆反应 A (g) + 3B (g)2C (g)达到平衡时有 50%的B转化为气体C。若A的转化率为25%，则起始时冲入容器中的A与B的物质的量之比为()A. 3 : 2B. 1 : 2C. 1 : 3D. 2 : 39. 将混合物A放入密闭容器中加热， 在一定条件下存在如下两种平衡： A (s)2B ( g)+ C (g) 2C (g) D ( g) + 3E (g)经测定，这时 C 的

14、浓度为 0.01mol L1, E 的浓度 为 0.015 mol L-1 ,贝U B 的浓度()A. 0.02 mol L1 B. 0.025 mol L1 C. 0.03 mol L1 D. 0.04mol L110. 在带有活塞的密闭容器中加入5molH2和5molN 2,在某温度下反应生成 2molNH 3, 若此时容器的压强不变，则容器的体积是反应前的()A. 2 倍B. 1.5 倍C. 0.8 倍D. 0.5 倍 二.填空题：1. 在体积为VL的密闭容器中，充入 a molN2和b molH2,经3分钟生成c moINH 3。(1 ) V ( N2) 应表示为 ( 2) H2 的转

15、化率为 (3) NH 3的体积分数为 (4)反应前后的压强比为 2. 在密闭容器中，N2、H2起始的物质的量分别为10mol、30mol，达到平衡时 N2的转化率为25%，若反应从NH3的分解开始，在相同条件下欲使平衡时各成分百分含量相同，则应加入氨的物质的量为 ，氨的转化率为 。3. 在830K时，下列反应的平衡体系具有某些特殊性：CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g) 若起始浓度分别为c (CO)= 3 mol L一1, c ( H2O)= 0.75mol L-1，达到平衡后CO的转化率为20% 若起始浓度分别为 c (CO)= 3 mol L一1, c (

16、H2O)= 4.5mol L -1，达到平衡后 CO 的转化率为60%设 830K 时，以起始浓度分别以 c (CO )= 3a mol L一1, c ( H2O)= b mol L-1 投料， 专业.发生以上反应，测得平衡后 c (H2)= c mol L 1. 请注意上述数据，总结出其中规律，填写以下空白。(1)选择填空：在多次试验中，若保持b不变而减小 a,则达到平衡时 CO的转化率 水蒸气的转化率 .A. 增大B. 减小C. 不变D. 无法确定( 2)当 a= 4， c= 1.5 时， b= .(3) 当 a= 2b 时，a : c=.(4) a、b、c 在该平衡中的关系式是 .三 . 计算题在合成氨反应中，入口气体中 N