2022-2023学年鲁科版选择性必修1 第2章 第4节　化学反应条件的优化-工业合成氨 课件（22张）

1、第4节化学反应条件的优化工业合成氨学习目标1.通过合成氨最优条件的探究,认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。2.通过学习催化剂在工业生产中的应用,知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。任务分项突破课堂小结提升学科素养测评任务分项突破学习任务合成氨反应工业生产条件的优化选择自主梳理1.合成氨反应的特点:反应可逆、正反应是放热反应、正反应熵减小。kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)微点拨:热力学数据主要解决反应的自发性、反应的限度问题;动力学数据可以解决反应快慢(即反应速率)问题。互动探究19世纪以前,农业生产所需氮肥的来源主要是有

2、机物的副产物和动植物的废物等。德国的化学家哈伯(Haber)和他的学生采用极高昂成本且易爆炸的锇作为催化剂第一次人工用N2、H2合成了氨气。德国化学家博施(Bosch)继续哈伯的研究,发明了以铁为主的廉价、安全、高效催化剂,并建立了世界第一座合成氨工厂。探究合成氨反应的自发性、反应限度、反应速率问题1:根据合成氨的热力学数据分析,合成氨的自发性如何?反应限度如何?提示:298 K时,该反应G105,理论上几乎能进行到底。问题2:从该反应的速率常数看,此反应快慢情况如何?如何加快此反应速率?提示:反应速率常数非常小,因此反应非常慢。升温,提高速率常数k,可以加快反应;从速率方程看提高氮气、氢气浓

3、度(加压压缩)可以加快反应;选取高效催化剂也可以加快反应。问题3:通过研究,合成氨反应历程中的“决速步骤”是N2在催化剂表面的吸附分解,据此思考如何提高总反应速率?提示:适当提高N2浓度,使“决速步骤”快一些,可以提高总反应速率。归纳拓展工业合成氨的适宜条件合成氨从平衡常数可以看出反应限度非常高,该反应主要问题是反应速率太慢,所以合成氨工业生产条件优化选择的关键是提高反应速率。(1)压强:压强越大,合成氨反应速率越快,平衡转化率越大,所以理论上讲压强越大越好,但是高压对容器耐压要求高,制造耐压容器成本高,所以采取什么样的压强要综合考虑反应器耐压及工厂经济条件。(2)温度:从平衡角度考虑,该反应

4、正反应属于放热反应,所以升温会降低平衡转化率,不利于提高反应限度,但从反应速率考虑,升温有利于加快反应速率,最终综合考虑催化剂活性在700 K左右最高,所以选择700 K左右。(3)催化剂:选择铁作催化剂,高效、廉价。(4)浓度:N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比,N2稍过量,即适当提高氮气浓度有利于提高反应速率,同时氨及时从混合气中分离出去能提高反应限度。1.(2021云南玉溪期中)关于合成氨工艺的下列理解不正确的是( )A.合成氨反应在不同温度下的H和S都小于零B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高反应气的平衡转化率C.分离空气可得N

5、2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生D.由于NH3易液化,不断将反应体系中的液氨移去,有利于反应正向进行题组例练B解析:合成氨为放热反应,H小于零,气体系数之和减小,S小于零,所以合成氨反应在不同温度下的H和S都小于零,A正确;压强一定,添加少量惰性气体,参与反应的气体的分压减小,相当于减小压强,平衡会逆向移动,不利于提高反应气的平衡转化率,B错误;空气中有大量氮气,分离液态空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化制得的H2,由于含有CH4、CO等易燃易爆气体,容易出现安全隐患,此外CH4、CO可能会与催化剂反应,造成催化剂活性降低,所以必须经过

6、净化处理,C正确;不断将氨气液化,生成物浓度降低,有利于平衡正向移动,D正确。A解析:低温平衡正向移动,高压平衡正向移动,故A正确;低温平衡正向移动,低压平衡逆向移动,故B错误;高温平衡逆向移动,高压平衡正向移动,故C错误;高温低压,平衡逆向移动,故D错误。A解析:题中反应是吸热反应,升高温度加快反应速率,平衡右移,则A符合题意;增大SiCl4(g)浓度,平衡右移,但SiCl4的转化率减小,B不符合题意;反应是气体分子总数增大的反应,增大压强,平衡左移,C不符合题意;加入催化剂不影响平衡,不影响SiCl4的转化率,D不符合题意。题后悟道化工生产中反应条件的优化选择需要综合考虑速率、平衡、经济效

7、益等多种因素,不能只从单一角度分析问题。课堂小结提升【知识整合】工业生产中化学反应条件优化选择基本规则1.温度:综合考虑速率、平衡、催化剂活性、经济因素。2.压强:综合考虑速率、平衡、设备耐压、经济因素。3.浓度:综合考虑速率、平衡、经济因素。4.催化剂:由于催化剂极为高效,所以如有催化剂一般属于必选项。【易错提醒】1.误认为合成氨工业生产中,压强越大越好。其实不然,压强越大,对设备的要求越高,一些中小型合成氨工厂受制于经济、技术因素,通常采取低压或中压生产条件。2.误认为平衡转化率越高越好。其实不然,工业生产一般不会等反应达到平衡才停止反应进入下一生产流程,工业上很多时候不考虑平衡转化率,只

8、要速率足够快,可以采取循环反应提高总转化率而无需考虑平衡因素。3.误认为500 左右比室温更有利于合成氨的反应,可以提高H2的平衡转化率。其实不然,合成氨反应是放热反应,温度越低,H2的平衡转化率越高,控制温度在500 左右主要考虑了催化剂活性在这个温度最高。4.误认为只要平衡、速率角度某因素都有利的话,就采取相应措施。其实不然,工业生产不仅考虑理论上速率、平衡的需求,还要考虑经济因素。学科素养测评甲醛是世界上产量最高的十大化学物质之一,有3 000多种作用。主要用于制造树脂和合成塑料或橡胶,在建筑材料、木材加工、造纸、纺织、皮革加工、医药、油漆、炸药等行业也有大量应用。工业常用铁钼氧化物作催

9、化剂,用甲醇空气氧化法制甲醛,反应过程涉及如下反应(有关数据均在298 K时测定):反应温度对甲醇氧化反应的影响如图所示:(1)用反应制甲醛要比直接用反应制甲醛优越,原因是 。答案:(1)氧气能与反应生成的氢气反应生成水,促进可逆反应正向移动,提高甲醇的转化率和甲醛的产率,同时除去H2(答案合理即可)解析:(1)氧气能与反应生成的氢气反应生成水,促进可逆反应正向移动,提高甲醇的转化率和甲醛的产率,同时除去H2;且反应是熵增大的放热反应,是自发进行的;反应的平衡常数比反应大得多,即反应进行的程度大。甲醛是世界上产量最高的十大化学物质之一,有3 000多种作用。主要用于制造树脂和合成塑料或橡胶,在

10、建筑材料、木材加工、造纸、纺织、皮革加工、医药、油漆、炸药等行业也有大量应用。工业常用铁钼氧化物作催化剂,用甲醇空气氧化法制甲醛,反应过程涉及如下反应(有关数据均在298 K时测定):反应温度对甲醇氧化反应的影响如图所示:答案:(2)适当通入O2,促进反应的发生,利用放出的热量,使体系温度控制在600 K左右解析:(2)适当通入O2,促进反应的发生,利用放出的热量,使体系温度控制在600 K左右,因为此时甲醛产率最大。甲醛是世界上产量最高的十大化学物质之一,有3 000多种作用。主要用于制造树脂和合成塑料或橡胶,在建筑材料、木材加工、造纸、纺织、皮革加工、医药、油漆、炸药等行业也有大量应用。工业常用铁钼氧化物作催化剂,用甲醇空气氧化法制甲醛,反应过程涉及如下反应(有关数据均在298 K时测定):反应温度对甲醇氧化反应的影响如图所示:(3)下列说法不正确的是 (填字母)。A.甲醇的转化率接近100%的原因是反应属于完全反应B.氢气的摩尔燃烧焓为-241.8 kJmol-1C.600 K以后甲醛产率下降的原因可能是温度升高导致甲醛发生热分解反应答案:(