知识讲解-化学反应条件的优化-工业合成氨(提高)

化学反应条件的优化一工业合成氨编稿：宋杰审稿：张灿丽【学习目标】1、 能用平衡移动原理（勒夏特列原理）解释一些生活、生产问题；2、 理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件;3、 了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。【要点梳理】1、 反应原理：N（g）+3H（g）、高温，高—2NH（g）。2 2$催化剂 3&2、 反应特点。可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体体积缩小的反应；④氨很容易液化。要点二、合成氨适宜条件的选择。1、 适宜生产条件选择的一般原则。对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮气与氢气的配比为1：2.8。选择条件时既要考虑反应的快慢一反应速率越大越好，又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动，来提高氨在平衡混合物中的体积分数。2、 合成氨条件选择的依据。运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。3、合成氨条件的理论分析（见下表）。反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中nh3的含量的影响合成氨条件的选择增大压强有利于增大化学反应速率有利于提高平衡混合物中nh3的产量压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用20MPa〜30MPa的压强升高温度有利于增大化学反应速率不利于提高平衡混合物中nh3的含量温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中nh3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500°。左右的温度（因该温度时，催化剂的活性最大）反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中nh3的含量的影响合成氨条件的选择使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行［归纳］合成氨的适宜条件：（1） 温度：500°C左右；（2） 压强：20MPa〜30MPa；（3） 催化剂：铁触媒（500C时其活性最强）。除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气N2和H2），以有利于合成氨反应。合成氨工业的简要流程:原料气的制取T净化T压缩T合成f分离T液氮合成氨生产示意图2-4-1合成氨生产示意图2-4-1：补充1、原料的制取氮气：将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO2,除去CO2后得氮气。氢气：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。主要反应有：C+H2O（g）、高温二co+h2CO+H2O（g）CO2+H2CH+HO（g）、催化剂、CO+3H2CH+O.X化剂、2CO+4H42242 700o2CH+O.X化剂、2CO+4H422950°C2、2、3、氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。反应原理为N+BH'W温高』2NH3、2 2催化剂 34、4、要点诠释：①循环操作过程是没有转化为生成物的反应物又重新回到反应设备中参加反应的过程。显然循环操作过程可以提高反应物的转化率，使反应物尽可能地转化为生成物，提高经济效益。由于存在循环操作过程，从理论上讲，即使是可逆反应，反应物最终全部转化为生成物。5、合成氨生产的发展前景。合成氨条件的选择与科技进步、动力、材料、设备等条件的改善紧密相连，并将随之作相应改变。目前，人们正在研究使合成氨反应在较低温度下进行的催化剂以及研究化学模拟生物固氮等，以进一步提高合成氨的生产能力。【典型例题】类型一、勒夏特列原理及其应用例1、钾是一种活泼的金属，工业上通常用金属钠和氯化钾在高温下反应制取。该反应为Na(1)+KCl⑴—^NaCl(1)+K(g)AH>0，该反应的平衡常数可表示为K=c(K)。各物质的沸点与压强的关系见下表。压强/kPa13.3353.32101.3K的沸点/C590710770Na的沸点/C700830890KCl的沸点/C1437NaCl的沸点/C1465在常压下金属钾转变为气态，从反应混合物中分离的最低温度约为，而反应的最高温度低于。在制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施。常压下，当反应温度升高至900°C时，该反应的平衡常数可表示为K=。【思路点拨】本题考查勒夏特列原理的应用，注意只有在涉及到化学平衡的内容时才能用到该原理。【答案】(1)770C890C降低压强或移去钾蒸气，适当升高温度c(K)/c(Na)【解析】要分离K，需K为气态，而其他物质为固态或液态，所以温度应该要高于770C低于890C，提高原料的转化率要降低压强或移去钾蒸气，适当升高温度，使平衡向正方向移动。当升高至900C时，Na为气态，所以K=c(K)/c(Na)。举一反三：【变式1】在硫酸工业生产过程中，有反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)，根据下表所提供的不同压强下SO2的转化率(%)的数据，试选择该反应的适宜条件(以V2O5作催化剂)。、压强/Pa转化率温度/^、-^^1X1055X10510X10550X105100X10545097.598.999.299.699.750085.692.994.997.798.3【答案】450C；1X105Pa(常压)。【解析】该反应与合成氨的反应相似，都是气体体积缩小的放热反应，温度升高有利于加快反应速率，但降低了反应物的转化率，适宜条件的选择需要综合考虑。增大压强有利于加快反应速率，同时也可以提高反应物的转化率，但压强对SO2的催化氧化的转化率影响不大。【变式2】(2015抚顺期末)下列对化学平衡移动的分析中，不正确的是( )。已达平衡的的反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)，当增加反应物物质的量时，平衡一定向正反应方向移动已达平衡的反应N2(g)+3H2(g)—2NH3(g)，当增大N2的浓度时，平衡向正反应方向移动，n2的转化率一定升高有气体参加的反应平衡时，若减小反应器容积时，平衡一定向气体体积增大的方向移动有气体参加的反应达平衡时，在恒压反应器中充入稀有气体，平衡一定不移动A.①④ B.①②③ C.②③④D.①②③④【答案】D【解析】①C为固体，增大固体的量，平衡不移动，故①错误；②增大N2的物质的量，平衡向正反应方向移动，但转化的少，增加的多，N2的转化率减小，故②错误；③如气体反应物与生成物计量数之和相等，则增大压强平衡不移动，故③错误；④在恒压反应器中充入稀有气体，如气体反应物与生成物化学计量数之和相等，则平衡不移动，如反应前后气体的化学计量数之和不等，则平衡移动，故④错误。故选D。

类型二、合成氨工业例2、利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下，依据流程图，完成下列填空:天然气脱硫时的化学方程式是 。nmolCH4经一次转化后产生CO0.9nmol、产生H2mol(用含n的代数式表示)。K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是 。a.相似相溶原理匕勒夏特列原理 c.酸碱中和原理由KHCO3分解得到的CO2可以用于(写出CO2的一种重要用途)。整个流程有三处循环，一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3(aq)循环，请在下述流程图中标出第三处循环(循环方向、循环物质)。【思路点拨】本题考查天然气合成氨工业中的部分具体问题，从另一方面考查化学反应平衡的移动，注意勒夏特列原理的应用。【答案】(1)3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O2.7n (3)b(4)生产纯碱(或做制冷剂等)N奶~,威■~'——(5)吨、瓦Fn八【解析】(1)3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O。一次转化所发生的反应是：CH4+H2O==CO+3H2，参加反应的CH4为0.9nmol，生成H2为3X0.9n=2.7nmol。K2CO3(aq)+CO2(g)+H2O(1)==2KHCO3(aq)，这是气体体积缩小的反应。根据勒夏特列原理，增大压强有利于KHCO3的生成。(5)N2、H2经合成塔合成氨后，还有大量的N2、H2未参加合成，所以除NH3后的N2、H2重新回到合成塔，再进行合成氨反应。【总结升华】本题利用工业生产流程图来考查碳族元素、氮族元素及化学平衡移动原理的知识，题目设计新颖，既有定性简答，又有定量计算，代表了当前高考命题的趋势。举一反三：【变式1】下面是合成氨的简要流程示意图：沿x路线回去的物质是( )。图2-4-6A.N2和H2B.催化剂UC.NH3 D.H2【答案】A

类型三、合成氨的有关计算例3、(2014北京海淀二模)合成氨尿素工业生产过程中涉及到的物质转化过程如下图所示。H;0 HQ 斗CO：天然气——>混合气 >h2 >nh5 >co2(1)天然气在高温、催化剂作用下与水蒸气反应生成h2和CO的化学方程式为在合成氨生产中，将生成的氨及时从反应后的气体中分离出来，运用化学平衡的知识分析这样做的是否有利于氨的合成，说明理由：。如图为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下，初始时氮气、氢气的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的体积分数。平衡混合物中氮的体积*数平衡混合物中氮的体积*数③在250°C、③在250°C、1.0X104kPa下，(4)NH3(g)与C02(g)「弟Jl-JifVi若分别用vA(NH3)和vB(NH3)表示从反应开始至达平衡状态A、B时的化学反应速率，则vA(NH3)vB(NH3)(填“>”、"V”或"=”)。在相同温度、当压强由p1变为p3时，合成氨反应的化学平衡常数 。(填“变大”、“变小”或“不变”)。H2的转化率为%(计算结果保留小数点后1位)。经过两步反应生成尿素，两步反应的能量变化示意图如下：讶点工痂NH3(g)与co2(g)反应生成尿素的热化学方程式为 。(5)运输氨时，不能使用铜及其合金制造的管道阀门。因为在潮湿的环境中，金属铜在有NH3存在时能被空气中的02氧化，生成Cu(NH3)42+，该反应的离子方程式为【思路点拨】本题考查制备实验方案的设计，综合性较强，题目难度较大，涉及化学平衡及计算、离子反应、氧化还原反应、热化学反应等高考常考考点，注重学生能力的训练，把握图像及数据处理即可解答。【答案】(1)m+HQ=2^CO+3H2曜比荆⑵移走氨气，微小生成物浓度，平S椅多，有利于氨生®⑶@<②不变(3)66.7%(4)2NH3(g)十CO2(E)=COCNH2)2(s)+H2O(1)△/=-134kJ/mol(5)26+SNH5+Q+2H2O=2Cq(NH3V+4-4OH-【解析(1)甲烷与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气，该反应为CH4+H2O高温CO+3H2；减少生成物的浓度，化学平衡正向移动，所以移走氨气，减小生成物浓度，平衡右移，有利于氨生成，故答案为：移走氨气，减小生成物浓度，平衡右移，有利于氨生成；①温度越大，压强越大，反应速率越大，由图可知，B对应的温度、压强大，则反应速率大；化学平衡常数只与温度有关，显然温度不变，则化学平衡常数K不变；在250°C、1.0X104kPa下，氨气的体积分数为50%，则开始1 3Q转化x平衡Lx33x2 号所以=50%，解得x项，则氢气的转化率为「LX100%=66.7%；由图示可知，两步反应的完成的热效应与一步完成的热效应是相同的，将两个反应相加可得2NH3(g)+CO2(g)=CO(NH2)2(s)+H2O(l)AH=-134kJ/mol；铜在有NH3存在时能被空气中的O2氧化，生成Cu(NH3)42+，该离子反应为2Cu+8NH3+O2+2H2O—2Cu(NH3)42++4OH-。【总结升华】化学来源于生产、生活，又服务于生产、生活。无机化工题实际上是考查考生运用化学反应原理及相关知识来解决工业生产中实际问题的能力。解此类型题目的基本步骤是：①从题干中获取有用信息，了解生产的产品。②分析流程中的每一步骤，从几个方面了解流程：A.反应物是什么，B.发生了什么反应，C.该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用。抓住一个关键点：一切反应或操作都是为获得产品而服务。③