高中化学 第二章 第4节 化学反应条件的优化-工业合成氨导学案 鲁科版选修4

1、第四节化学反应条件的优化工业合成氨课前指导学习的学习计划精确定位学习目标导航1.了解合成氨的化学原理；2.利用化学平衡和化学反应速率的知识选择合成氨的条件；3.了解合成氨生产的主要流程；4.了解工业条件选择的基础和原则。自我梳理基础知识导航一、合成氨反应的极限1.合成氨反应的化学方程式是N2(g) 3H2(g)2NH3(g)。结合勒沙雷特的原理，可以知道_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _2.相关研究表明，在一定的温度和压力下，当

2、反应物中N2与H2的体积比为_ _ _ _ _ _ _ _时，平衡混合物中的氨含量最高。问题思考1？合成氨工业生产中，为什么采用N2和H2的投料比1，333，602.8？二、合成氨反应速率1.在特定条件下，合成氨的反应速率与参与反应的物质浓度之间的关系式为_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _2.当温度升高时，k_ _ _，因此升高温度有利于提高合成氨的速率。3.加入合适的催化剂可

3、以_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _问题思考2？在合成氨工业生产中，为什么要回收未转化的合成气？三.合成氨的适宜条件1.提高_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

4、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _2.温度约为_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _；3.压力为_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _；4._ _ _ _ _ _ _ _ _作为催化剂。外部条件使NH3快速产生使NH3产生更多比率分析平衡分析压高气压高气压温度高温低温催化剂使用无影响反应物浓度提高浓度提高浓度产品氨的浓度降低浓度降低浓度自我梳理参考答案1.减少和增加2。1: 2.8第二，1

5、 .增减2。增加3。减少三.1.H2 N2氨2。700K 3。4.铁催化剂问题思维参考答案问题1:由于氮在催化剂上的吸附是整个反应中最困难的一步，也就是影响反应速率的关键一步，适当增加氮的比例，即N2与H2的比例为1，333，602.8，可以加快氨合成反应。问题2:在合成氨反应中，让n 2和H2的混合气体只通过一个合成塔反应是不经济的。分离液氨后的未转化合成气应回收利用，并及时补充N2和H2，以保持一定的反应物浓度，这有利于合成氨反应。课堂提问和指导合作探索名师护航探索1:合成氨工业流程“特别提醒”在准备原料时，要注意反应的可行性，同时要注意反应的速率和极限。探索2:固氮将空气中的游离氮转化为

6、混合氮的过程称为固氮。主要的固氮方法有：1.生物固氮作用一种主要的自然固氮反应。例如，豆科植物在根瘤菌的作用下直接吸收空气中的N2并将其转化为氨，进而合成蛋白质。2.自然固氮如闪电产生的巨大电压，其电火花可以破坏氮分子的三键，并促使其与氧反应生成一氧化氮，然后生成二氧化氮和硝酸。3.化学固氮例如氨合成反应、氮和氧在放电条件下生成一氧化氮的反应等。4.生物固氮的人工模拟通过化学方法，制备类似生物固氮菌的物质，使空气中的氮在常温常压下与水、二氧化碳等反应，成为conv在化工生产中，不仅要尽可能提高反应物的转化率，充分利用原料，还要选择更快的反应速率，以增加单位时间的产量。以上两点是选择反应条件的起

7、点。当它们之间有矛盾时，我们应该分析具体情况，找出最佳反应条件。1.对于任何可逆反应，增加反应物的浓度可以提高反应速率和转化率。因此，生产中经常使用廉价易得的原料来提高另一种原料的转化率，并注意原料的回收利用。2.对于气体体积减少的反应，增加压力使天平向产品移动，但增加压力会增加功耗，需要较高的设备，增加生产成本，因此必须综合考虑。3.对于放热反应，提高温度可以提高反应速率，但转化率降低；如果温度太低，反应速度太慢，因此通常需要使用合适的催化剂。对于吸热反应，提高温度可以提高反应速率和转化率；然而，为了避免反应物和产物状态的变化和过热分解，应该选择合适的温度。4.催化剂的使用可以在不影响化学平

8、衡运动的情况下加快反应速度，但在使用时，要注意选择合适的温度(满足催化剂的活性温度)，其次要防止催化剂中毒，净化原料。“特别提醒”在选择合适的化工生产条件时，应运用化学反应速率和化学平衡运动原理，考虑化工生产中动力、材料、设备和催化剂等因素的影响，综合选择合适的化工生产条件。典型案例分析名师解惑助航实施例1:可逆反应3 H2(g)N2(g)2 NH3(g)； h 0，达到平衡后，为了提高H2的转化率，下列选项中采用的三种方法都是正确的()A.升高温度，降低压力，增加氮气b、降温、升压、加入催化剂C.增加温度、压力和氮气d、降温、升压、分离部分氨“答案”d分析课题要求提高合成氨反应中氢气的转化率

9、，即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，也就是说，正反应的方向。首先，分析了温度的影响。合成氨是放热反应。理论上，温度应该尽可能低。选项A和C中的升温是错误的，合成氨反应前后都有气体物质，反应前的气体体积大于反应后的气体体积，因此增加压力会使天平向气体体积减少的方向移动，即向正反应方向移动。选项A是错误的，而增加其他选项的压力是正确的。关于浓度的影响，增加反应物的浓度或降低产物的浓度将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)氨是正确的选择。加入催化剂可以加速反应，但对平衡移动没有影响。选项B是错误的。所以只有选项d是正确的。

10、变式训练1对于合成氨工业来说，只有从提高原料转化率的角度出发，从以下条件中选择最合适的组合是()高温低温低压高压催化剂加氨除氨A.bcd实施例2在某些条件下，可逆反应N2 3h22nh3 h0达到平衡。当下列条件分别改变时，相关叙述错误为()A.当加入催化剂时，v正和v负都发生变化，变化的倍数相等。B.加压时，正电压和负电压都增加，正电压增加倍数大于负电压增加倍数C.当温度降低时，v正和v负都下降，v正下降“分辨率”催化剂只增加或减少反应速率，即正负变化都有，但不改变平衡的运动，即正负变化都有相同的倍数。随着加压，体系中各反应物的浓度增加，正、反均增加，但更有利于向气体系数减小的方向移动，所以

11、正增加大于反增加。当温度降低时，反应速率都将降低，但有利于平衡向放热方向移动。但是，该反应为H 0，所以V的正还原次数小于V的负还原次数，加入稀有气体后，各组分的浓度不会改变或降低，所以V的正和V的负不会改变或降低。因此，c和d都是不正确的。变体训练2合成氨所需的H2是通过碳和水蒸气的反应制备的，其中一步反应是一氧化碳H2O (g)二氧化碳H2 H0。为了提高一氧化碳的转化率和H2的产量，可以采取的措施有()A.增加水蒸气的浓度增加温度增加一氧化碳的浓度增加压力实施例3在一定的温度和压力下，密闭容器中充满H2。N2。NH3，和H2的摩尔比。N2。NH3在开始时是3: 1: 1。反应达到平衡后，

12、H2的摩尔比。N2。NH3为9: 3: 4，则N2转化率为()百分之十百分之二十百分之十五百分之三十“回答”答“分辨率”3h2 n22nh3起始数量3 1 1转化量3x 2x天平3-3x1-x 2x(3-x): (1-x): 2x=9: 3: 4，因此x=0.1所以N2的转换率是变体训练3在某些条件下，当2nh33h2 N2达到平衡时，nh3的转化率为50%，并且平衡混合物的密度与未分解的NH3的密度的比率为()A.1:1B.2:3 C.3:2D.2:1变异训练的分析与回答变体训练1答：乙分析：合成氨工业使用N2 3H22nh3 H0，可见升温有利于向氨生成方向反应；从气体系数来看，加压有利于

13、氨生成方向的反应；加入催化剂只会改变速率，而不会改变转化率；降低产物浓度也有利于氨生成方向的反应。因此，总结起来，有 。变体培训2答：答分析：为了提高一氧化碳转化率和H2收率，有必要改变条件，使平衡向正反应方向移动。Co H2O (g) CO2 H2 H0表明，该反应是一个具有恒定气体系数的正反应和放热反应，因此可以提高反应物水蒸气的浓度。虽然提高温度可以提高反应速率，但它会使平衡向左移动。如果降低温度，它会使平衡向右移动，但它会降低反应速率，但它会满足主题的要求，但不幸的是没有这样的选择。增加一氧化碳浓度可以提高H2产率，但其转化率会降低。压力对恒定气体系数的反应没有影响。变体培训3答：乙分

14、析：2nh33h2 N2起始数量x 0 0转化量50%x 0.75x 0.25x余额0.5x 0.75x 0.25x反应前后都是气体，所以总质量和密度不变，气体的体积与气体物质的量成正比，所以反应后和反应前的密度之比等于物质量的反比。替代示例1.以下反应在密闭容器中进行以达到平衡：N2 3h22nh3 h0。在其他条件不变的情况下，如果平衡混合物中每种物质的浓度增加到原来的两倍，下列说法是正确的()A.平衡不会移动。平衡是正向移动的C.平衡向反方向移动。NH3的百分比含量增加回答：BD分析：如果平衡混合物中每种物质的浓度增加到原来浓度的两倍，反应速率将增加，其他条件保持不变，也就是说，气体将被

15、压缩，容器的体积将减小，平衡将向气体系数减小的方向移动，因此平衡将向正方向移动。从而增加NH3的百分比含量。2.在某些条件下，体积fr12.5%，11.4%，10.5%，9%答：乙分析：假设原始气体体积为V，那么平衡后的体积为V-0.95 VN2+3H 22 NH3V1 3 2 2转换：0.025伏0.075伏0.05伏-0.95伏所以N2的转换率是3.工业合成氨反应约为700 K，这主要是由于()A.在700k时反应速度最快。氨的平衡浓度在70万时最大C.氨的转化率在700kd时最高。该反应的催化剂可以发挥最大的作用答：d .分析：温度越高，反应速度越快，因此排除了A选项；N2 3H22nh

16、3 H0，所以温度越高，氨的平衡浓度越大，转化率越高，所以B和C选项被排除。全面可用只有d选项是最合适的。通用教材非平衡化学长期以来，物理学家认为自发过程总是使系统趋于平衡。有序原则是唯一支持从无到有的物理学原则，但是当我们用这个原则来解释生物现象时，我们会遇到很大的麻烦。根据概率观点，生物秩序的形成是一个极不可能发生的事件。众所周知，自然界中大约有20种不同的氨基酸，一个蛋白质分子可以包含成千上万种氨基酸，它们可以以许多不同的方式排列。假设各种排列的出现概率相等，形成具有某种氨基酸排列的蛋白质分子的概率很小。如果蛋白质分子中氨基酸的排列可以自动调整，要得到一个具有特定结构的蛋白质分子将需要难以想象的长时间。例如，一个含有100个氨基酸的蛋白质分子，包括20种不同的氨基酸，可以有多达10130种不同的排列。假设蛋白质分子每秒能改变氨基酸分子的排列一百万次(事