第24讲化学平衡的移动合成氨工业

1、第1页 共 55 页第第24讲讲 化学平衡的移动化学平衡的移动 合成氨工业合成氨工业第2页 共 55 页自主复习自主复习 夯实基础夯实基础考纲要求考纲要求第3页 共 55 页1.理解勒夏特列原理的含义理解勒夏特列原理的含义 理解浓度理解浓度 温度温度 压强等条件压强等条件对化学平衡移动的影响对化学平衡移动的影响 2.以合成氨工业为例以合成氨工业为例,用化学反应速率和化学平衡的观点理解用化学反应速率和化学平衡的观点理解工业生产的条件工业生产的条件 第4页 共 55 页教材回扣教材回扣第5页 共 55 页一一 化学平衡的移动化学平衡的移动1.概念概念:可逆反应中旧化学平衡的破坏可逆反应中旧化学平衡

2、的破坏 新化学平衡的建立新化学平衡的建立过过程程 2.移动过程移动过程第6页 共 55 页3.化学平衡移动与反应速率的关系化学平衡移动与反应速率的关系(1)v正正v逆逆:平衡平衡向正反应方向向正反应方向移动移动 (2)v正正=v逆逆:平衡平衡不不移动移动 (3)v正正v逆逆:平衡向平衡向逆反应方向逆反应方向移动移动 第7页 共 55 页二二 影响化学平衡的条件影响化学平衡的条件1.浓度浓度其他条件保持不变时其他条件保持不变时,增大反应物浓度或减小生成物浓度增大反应物浓度或减小生成物浓度,平平衡向正反应方向移动衡向正反应方向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度减小反应物浓度或增大生成物浓度,平衡

3、向逆反应方向移动平衡向逆反应方向移动 注意注意:固体或纯液体固体或纯液体,改变其用量化学平衡不移动改变其用量化学平衡不移动 第8页 共 55 页2.压强压强(1)体积可变的反应体积可变的反应增大压强增大压强,平衡向平衡向气体体积缩小气体体积缩小的方向移动的方向移动 减小压强减小压强,平衡向平衡向气体体积增大气体体积增大的方向移动的方向移动 (2)体积不变的反应体积不变的反应改变压强改变压强,化学平衡化学平衡不移动不移动 注意注意:对于无气体参加的可逆反应对于无气体参加的可逆反应,改变压强时化学平衡不移改变压强时化学平衡不移动动 第9页 共 55 页3.温度温度其他条件保持不变时其他条件保持不变

4、时,升温升温,平衡向平衡向吸热反应吸热反应方向移动方向移动;降温降温,平平衡向衡向放热反应放热反应方向移动方向移动 4.催化剂催化剂催化剂对化学平衡催化剂对化学平衡无影响无影响,但能但能改变反应到达平衡的时间改变反应到达平衡的时间 第10页 共 55 页三三 勒夏特列原理勒夏特列原理改变影响化学平衡的一个条件改变影响化学平衡的一个条件(如浓度如浓度 压强或温度等压强或温度等),平衡平衡就向能够就向能够减弱这种改变减弱这种改变的方向移动的方向移动 注意注意:平衡移动的结果是平衡移动的结果是“减弱减弱”这种改变这种改变,而不是而不是“消除消除”,归根到底是一种归根到底是一种“被动被动”的的“消弱消

5、弱”,而非而非“抵制抵制”,如给如给某平衡状态的可逆反应体系升温某平衡状态的可逆反应体系升温10 ,由于化学反应向吸由于化学反应向吸热方向进行的结果热方向进行的结果,使反应体系的最终温度大于使反应体系的最终温度大于t0而小于而小于t0+10 第11页 共 55 页四四 合成氨适宜条件的选择合成氨适宜条件的选择 可逆反应可逆反应:N2+3H22NH3+92.4 kJ 正反应为气体体积正反应为气体体积缩缩小小的的放热放热反应反应 1.温度温度:500 左右左右 从化学反应速率分析从化学反应速率分析:温度越温度越高高越好越好;从从反应平衡分析反应平衡分析:温度越温度越低低越好越好 综合考虑以综合考虑

6、以500 左右为左右为宜宜,而且在此温度下而且在此温度下催化剂活性最大催化剂活性最大 第12页 共 55 页2.压强压强:2107 Pa5107 Pa 无论从速率还是平衡考虑无论从速率还是平衡考虑,压压强越强越大大越有利于合成氨越有利于合成氨 但压强越大但压强越大,对设备的制造和材对设备的制造和材料的强度要求越高料的强度要求越高,以以2107 Pa5107 Pa为宜为宜 3.催化剂催化剂:加快反应速率但不影响平衡加快反应速率但不影响平衡,提高单位时间内氨的提高单位时间内氨的产量产量,目前工业上以目前工业上以铁触媒铁触媒为催化剂为催化剂 4.浓度浓度:从速率及平衡角度分析从速率及平衡角度分析,应

7、增大应增大氢气氢气和和氮气氮气浓度浓度,降低降低氨氨的浓度的浓度 第13页 共 55 页五五 合成氨工业简述合成氨工业简述1.原料气的制备原料气的制备 净化和压缩净化和压缩(1)N2来源于来源于空气空气:方法一方法一:空气液化法空气液化法;方法二方法二:用碳除氧法用碳除氧法 (2)H2来源于来源于水水和和燃料燃料:C+H2O(g)CO+H2;CO+H2O(g)CO2+H2 除去杂除去杂质后将质后将N2 H2混合气体用压缩机压缩至高压混合气体用压缩机压缩至高压 第14页 共 55 页2.氨的合成氨的合成:N2+3H2 2NH3 3.氨的分离氨的分离:通过通过冷凝器冷凝器将氨液化将氨液化,然后将氨

8、分离然后将氨分离,分离出的混分离出的混合气体经循环操作继续合成合气体经循环操作继续合成 催化剂高温高压第15页 共 55 页4.工业流程工业流程:第16页 共 55 页课堂互动课堂互动 热点突破热点突破热点考向热点考向第17页 共 55 页1.利用平衡移动原理判断平衡移动方向或解释生产利用平衡移动原理判断平衡移动方向或解释生产 生活中生活中的化学反应原理的化学反应原理 2.用图象表示外界条件对化学平衡的影响用图象表示外界条件对化学平衡的影响,或根据图象推测外或根据图象推测外界条件界条件,根据条件确定可逆反应中某一物质的转化率根据条件确定可逆反应中某一物质的转化率 消消耗量耗量 气体体积变化气体

9、体积变化 百分含量变化等百分含量变化等 3.合成氨条件的选择合成氨条件的选择 4.应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法 第18页 共 55 页热点探究热点探究热点热点1 化学平衡的移动以及影响化学平衡的因素化学平衡的移动以及影响化学平衡的因素第19页 共 55 页1.化学平衡的移动化学平衡的移动(1)移动过程表示移动过程表示(v正正=v逆逆) (v正正v逆逆) (v正正=v逆逆)各组分含各组分含量保持一定量保持一定 各组分含量各组分含量发生变化发生变化 各组分含量又保各组分含量又保持新的一定持新的一定 第20页 共 55 页(2)化学平衡移动的概念化

10、学平衡移动的概念达到平衡状态的反应达到平衡状态的反应,在条件改变后在条件改变后,平衡状态被破坏平衡状态被破坏,然后在然后在新的条件下达到新的平衡状态的过程新的条件下达到新的平衡状态的过程,叫平衡移动叫平衡移动 第21页 共 55 页2.影响化学平衡的条件及平衡移动原理影响化学平衡的条件及平衡移动原理(1)以一般反应以一般反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g);H=Q,为例来总结温度为例来总结温度 浓度浓度 压强和催化剂对反应速率以及化学压强和催化剂对反应速率以及化学平衡的影响及其规律如下表所示平衡的影响及其规律如下表所示:第22页 共 55 页外界条外界条件件措施措施正反应正反应速

11、率速率逆反应逆反应速率速率v正正 v逆逆的关系的关系平衡移平衡移动的情动的情况况温度温度升温升温增大增大增大增大Q0,v正正v逆逆向逆反向逆反应方向应方向移动移动降温降温减小减小减小减小Qv逆逆向正反向正反应方向应方向移动移动第23页 共 55 页浓浓度度增大反应物增大反应物浓度浓度增大增大增大增大v正正v逆逆向正反向正反应方向应方向移动移动减小生成物减小生成物浓度浓度减小减小减小减小v正正v逆逆增大生成物增大生成物浓度浓度增大增大增大增大v正正v逆逆向逆反向逆反应方向应方向移动移动减小反应物减小反应物浓度浓度减小减小减小减小v正正p+qv正正v逆逆向正反向正反应方向应方向移动移动降低压降低压

12、强强减小减小减小减小m+np+qv正正v逆逆向逆反向逆反应方向应方向移动移动催化剂催化剂正催化正催化剂剂增大增大增大增大v正正=v逆逆平衡无平衡无影响影响负催化负催化剂剂减小减小减小减小v正正=v逆逆第25页 共 55 页(2)勒夏特列原理勒夏特列原理:如果改变影响化学平衡的一个条件如果改变影响化学平衡的一个条件(浓度浓度 压强或温度等压强或温度等),平衡就会向着能够减弱这种改变的方向移平衡就会向着能够减弱这种改变的方向移动动 对勒夏特列原理中对勒夏特列原理中“减弱这种改变减弱这种改变”的正确理解应当是的正确理解应当是:升升高温度时高温度时,平衡向吸热反应方向移动平衡向吸热反应方向移动;增加反

13、应物增加反应物,平衡向反平衡向反应物减少的方向移动应物减少的方向移动;增大压强时增大压强时,平衡向体积缩小的方向平衡向体积缩小的方向移动移动 第26页 共 55 页3.惰性气体对化学平衡的影响惰性气体对化学平衡的影响对于反应对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g);H0,当当反应达到平衡时反应达到平衡时,下列措施下列措施:升温升温 恒容通入惰性气体恒容通入惰性气体 增加增加CO浓度浓度 减压减压 加催化剂加催化剂 恒压通入惰性气体恒压通入惰性气体,能提高能提高COCl2转化率的是转化率的是( ) A. B.C. D.第29页 共 55 页解析解析 本题考查外界因素对化学平衡移动的影响本题

14、考查外界因素对化学平衡移动的影响,从不同层从不同层面考查勒夏特列原理的应用面考查勒夏特列原理的应用 该反应为吸热反应该反应为吸热反应,升温则升温则平衡正向移动平衡正向移动,反应物转化率提高反应物转化率提高,正确正确;恒容时恒容时,通入惰性通入惰性气体气体,反应物与生成物浓度不变反应物与生成物浓度不变,平衡不移动平衡不移动,错错;增加增加CO浓度浓度,平衡逆向移动平衡逆向移动,反应物转化率降低反应物转化率降低,错错;该反应正反应该反应正反应为气体分子数增大的反应为气体分子数增大的反应,减压时平衡向正反应方向移动减压时平衡向正反应方向移动,反应物转化率提高反应物转化率提高,正确正确;催化剂只能改变

15、反应速率催化剂只能改变反应速率,不能不能改变平衡状态改变平衡状态,错错;恒压时恒压时,通入惰性气体通入惰性气体,容器体积增大容器体积增大,反应物与生成物浓度降低反应物与生成物浓度降低,平衡向气体增加的方向移动平衡向气体增加的方向移动,即即向正反应方向移动向正反应方向移动,反应物转化率提高反应物转化率提高,正确正确 答案答案 B 第30页 共 55 页变式变式1:已知反应已知反应mX(g)+nY(g)qZ(g);Hq,在恒容在恒容密闭容器中反应达到平衡时密闭容器中反应达到平衡时,下列说法正确的是下列说法正确的是( )A.通入稀有气体使压强增大通入稀有气体使压强增大,平衡将正向移动平衡将正向移动B

16、. X的正反应速率是的正反应速率是Y的逆反应速率的的逆反应速率的m/n倍倍C.降低温度降低温度,混合气体的平均相对分子质量变小混合气体的平均相对分子质量变小D.增加增加X的物质的量的物质的量,Y的转化率降低的转化率降低第31页 共 55 页解析解析:分析外界条件对化学平衡的影响分析外界条件对化学平衡的影响,首先要分清容器的性首先要分清容器的性质是恒温恒压还是恒温恒容质是恒温恒压还是恒温恒容,然后考虑反应的特点然后考虑反应的特点,是气体是气体体积增大还是减小的反应体积增大还是减小的反应,是放热反应还是吸热反应是放热反应还是吸热反应,最后最后利用勒夏特列原理分析利用勒夏特列原理分析,得出结论得出结

17、论 该反应为恒温恒容条该反应为恒温恒容条件下体积缩小的放热反应件下体积缩小的放热反应 定容条件下通入稀有气体定容条件下通入稀有气体,反反应物和生成物的浓度不变应物和生成物的浓度不变,平衡不移动平衡不移动,故故A错误错误 达到平达到平衡状态时衡状态时,v正正(X)=v逆逆(X),v正正(Y)=v逆逆(Y),由于由于v正正(X):v正正(Y)=m:n,所以所以v正正(X):v逆逆(Y)=m:n,故故B正确正确 第32页 共 55 页降低温度降低温度,平衡向正反应方向移动平衡向正反应方向移动,混合气体总物质的量减小混合气体总物质的量减小,平均相对分子质量增大平均相对分子质量增大,故故C错误错误 增加

18、增加X的物质的量的物质的量,平衡平衡向正反应方向移动向正反应方向移动,Y的转化率增大的转化率增大,故故D错误错误 答案答案:B第33页 共 55 页热点热点2 有关化学平衡的图象有关化学平衡的图象第34页 共 55 页1.化学平衡中常见的几种图象化学平衡中常见的几种图象(1)v-t图图:既能表示反应速率变化既能表示反应速率变化,又能表示平衡移动的速率又能表示平衡移动的速率-时间图象时间图象 如图中如图中A B C所示所示: 第35页 共 55 页A图图:t=0时时,v正正v逆逆=0,表明反应由正反应开始表明反应由正反应开始:t=t1时时,v正正v逆逆=v逆逆,表明在改变条件的瞬间表明在改变条件

19、的瞬间,v正正变大变大,v逆逆不变不变,是加入了一是加入了一种反应物种反应物;tt1时时,v正正v逆逆,表明平衡向正反应方向移动了表明平衡向正反应方向移动了,随后又达到新的平衡随后又达到新的平衡 B图图:a.反应由正反应开始反应由正反应开始 b.v正正,v逆逆在改变条件时同时增大在改变条件时同时增大 c.平衡向逆反应方向移动了平衡向逆反应方向移动了 C图图:a.反应由正反应开始反应由正反应开始 b.v正正,v逆逆在改变条件时同倍数的在改变条件时同倍数的增大增大 c.平衡未移动平衡未移动 第36页 共 55 页 (2)转化率转化率-时间图时间图,如图中如图中A B所示所示:A图图:先出现拐点的先

20、达平衡先出现拐点的先达平衡,即即“先拐先平先拐先平”,说明说明T2T1 B图图:同理说明同理说明P1P2 第37页 共 55 页 (3)物质的含量物质的含量-压强压强-温度图温度图,如图中如图中A B所示所示:对上述图象对上述图象,采取采取“定一议二定一议二”法法,先确定一个量不变先确定一个量不变,讨论另讨论另外两个量的关系外两个量的关系 第38页 共 55 页2.图象题的解题方法图象题的解题方法(1)看懂图象看懂图象 一看横纵坐标的含义一看横纵坐标的含义,二看线的变化趋势二看线的变化趋势,三看三看曲线的起点曲线的起点 终点终点 交点交点 拐点拐点 原点原点 极值点等极值点等,四做四做有用的等

21、温线有用的等温线 等压线及做相关的辅助线等压线及做相关的辅助线,五看有关量的五看有关量的多少多少 (2)知识联想知识联想 联想外界条件对化学反应速率和化学平衡的影联想外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律响规律 (3)分析判断分析判断 联系已知的化学反应和图象中的信息联系已知的化学反应和图象中的信息,根据有根据有关知识规律分析并作相应判断关知识规律分析并作相应判断 第39页 共 55 页【例【例2】 (2010四川卷四川卷)反应反应aM(g)+bN(g)cP(g)+dQ(g)达到平衡时达到平衡时,M的体积分数的体积分数y(M)与反应条件的关系如图所示与反应条件的关系如图所示 其中其中z表示

22、反应开始时表示反应开始时N的物质的量与的物质的量与M的物质的量之比的物质的量之比 下列说法正确的是下列说法正确的是( )第40页 共 55 页A.同温同压同同温同压同z时时,加入催化剂加入催化剂,平衡时平衡时Q的体积分数增加的体积分数增加B.同压同同压同z时时,升高温度升高温度,平衡时平衡时Q的体积分数增加的体积分数增加C.同温同同温同z时时,增加压强增加压强,平衡时平衡时Q的体积分数增加的体积分数增加D.同温同压时同温同压时,增加增加z,平衡时平衡时Q的体积分数增加的体积分数增加第41页 共 55 页解析解析 本题考查的知识点是化学平衡的移动本题考查的知识点是化学平衡的移动,意在考查考生意在

23、考查考生的分析判断能力的分析判断能力 可逆反应中可逆反应中,催化剂只能改变化学反应催化剂只能改变化学反应速率速率,A错错;由两个图象可知由两个图象可知,M的体积分数随着温度升高而的体积分数随着温度升高而降低降低,即温度升高即温度升高,平衡右移平衡右移,故平衡时生成物故平衡时生成物Q的体积分数的体积分数增加增加,B正确正确;同为同为650 z=2.0,压强为压强为1.4 MPa时时,y(M)=30%,而压强为而压强为2.1 MPa时时,y(M)=35%,即增大压强即增大压强,平衡左移平衡左移,故平衡时故平衡时Q的体积分数减小的体积分数减小,C错错;第42页 共 55 页由图象可知由图象可知,同温

24、同温 同压时同压时,若若N的物质的量增加的物质的量增加,而而M的物质的物质的量不变的量不变,则尽管则尽管z越大越大,y(M)减小减小,平衡右移平衡右移,但但Q增加的物增加的物质的量远小于加入的质的量远小于加入的N的物质的量的物质的量,此时此时Q的体积分数减小的体积分数减小,D错错 答案答案 B 第43页 共 55 页变式变式2:下图表示反应下图表示反应X(g)4Y(g)+Z(g);H0,在某温度时在某温度时X的浓度随时间变化曲线的浓度随时间变化曲线:第44页 共 55 页下列有关该反应的描述正确的是下列有关该反应的描述正确的是( )A.第第6 min后后,反应就终止了反应就终止了B. X的平衡

25、转化率为的平衡转化率为85%C.若升高温度若升高温度,X的平衡转化率将大于的平衡转化率将大于85%D.若降低温度若降低温度,v正正和和v逆逆将以同样倍数减小将以同样倍数减小第45页 共 55 页解析解析:本题具体考查化学反应速率与化学平衡部分知识本题具体考查化学反应速率与化学平衡部分知识,关键关键是深刻理解是深刻理解“勒夏特列原理勒夏特列原理”并结合具体反应灵活应用并结合具体反应灵活应用 A项项,考查化学平衡的特点考查化学平衡的特点,由图知由图知:6 min以后以后,反应物反应物X浓度浓度不再改变不再改变,说明达到了平衡说明达到了平衡 但化学平衡是动态平衡但化学平衡是动态平衡,反应反应未终止未

26、终止 B项项,X的转化率计算的转化率计算100%=85% C项项,该反应该反应Hv逆逆 答案答案:B第47页 共 55 页热点热点3 适宜生产条件选择的一般原则适宜生产条件选择的一般原则 1.对任一可逆反应对任一可逆反应,增大某种反应物浓度增大某种反应物浓度,能提高反应速率能提高反应速率和其它反应物的转化率和其它反应物的转化率 故生产中常使廉价易得的原料适故生产中常使廉价易得的原料适当过量当过量,以提高另一原料的利用率以提高另一原料的利用率,如氮气与氢气的配比为如氮气与氢气的配比为1.07:3 2.对气体分子数减少的反应对气体分子数减少的反应,增大总压使平衡向增大生成物的增大总压使平衡向增大生

27、成物的方向移动方向移动,但压强太大但压强太大,动力消耗动力消耗,设备要求成本增高设备要求成本增高,故必须故必须综合考虑综合考虑 第48页 共 55 页3.对放热反应对放热反应,升温升温,提高反应速率提高反应速率,但转化率降低但转化率降低,若温度太低若温度太低,反应速率又太慢反应速率又太慢,故需使用适当的催化剂故需使用适当的催化剂 对吸热反应对吸热反应,升温升温,加快反应速率加快反应速率,又能提高转化率又能提高转化率,但要避免反但要避免反应物或生成物的温度过高而分解应物或生成物的温度过高而分解 4.使用催化剂可大大提高反应速率且不影响化学平衡使用催化剂可大大提高反应速率且不影响化学平衡,但使用但使用时必须注意其活性温度范围时必须注意其活性温度范围,且防止催化剂且防止催化剂“中毒中毒”,延长延长使用寿命使用寿命 第49页 共 55 页【例【例3】 已知已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g);H0,2SO2(g)+O2(g)2SO3(g);H0回答下列问题回答下列问题:第50页 共 55 页(1)从影响速率和平衡的因素分析从影响速率和平衡的因