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考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,考点一,考点二,考点三,考点四,考点五,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,4,节化学反应条件的优化,工业合成氨,第,2,章,2021,第4节化学反应条件的优化工业合成氨第2章2021,内容索引,01,02,课前篇 素养初探,课堂篇 素养提升,内容索引0102课前篇 素养初探课堂篇 素养提升,1,.,能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化,运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响规律解释实际问题,随之形成科学态度与社会责任的学科核心素养。,2,.,使学生形成多角度综合调控化学反应的思路,发展学生绿色化学的观念,体验社会责任的学科核心素养。,1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选,课前篇 素养初探,课前篇 素养初探,知识铺垫,合成氨反应的发明有什么意义,?,实现合成氨工业化生产需注意什么,?,提示,合成氨技术的发明,使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产,必须从反应速率和反应限度两个方面选择合适的反应条件。,知识铺垫合成氨反应的发明有什么意义?实现合成氨工业化生产需注,必备知识,一、合成氨反应的限度,1,.,合成氨反应的特点,合成氨反应是一个可逆反应,化学方程式为,N,2,(g)+3H,2,(g) 2NH,3,(g),。在,298 K,时,H,=-92.2 kJmol,-1,S,=-198.2 JK,-1,mol,-1,该反应是一个,放热,反应,同时又是一个熵,减小,的反应。,2,.,合成氨的自发性,在,298 K,时,合成氨是,自发,进行的反应。,必备知识一、合成氨反应的限度,3,.,合成氨反应的限度,降低温度,、,增大压强,将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的体积比为,1,3,时平衡混合物中氨的含量最高。,3.合成氨反应的限度,【微思考】,已知,298,K,时,N,2,(g)+3H,2,(g) 2NH,3,(g),H,kJ,mol,-1,S,J,K,-1,mol,-1,请通过计算说明,298,K,时合成氨反应能否自发进行,?,提示,H,-,T,S,=-92.210,3,Jmol,-1,-298,JK,-1,mol,-1,)=-92.210,3,Jmol,-1,+59,Jmol,-1,=-33,Jmol,-1,0,即,298,K,时合成氨反应能自发进行。,【微思考】已知298 K时,N2(g)+3H2(g),二、合成氨反应的速率,1,.,浓度对合成氨反应速率的影响,由,v,=,kc,(N,2,),c,(H,2,),c,-1,(NH,3,),知,合成氨反应的速率与氮气浓度的,1,次方成正比,与氢气浓度的次方成正比,与氨气浓度的,1,次方成反比。在反应过程中,随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐,降低,因此为了保证足够高的反应速率,应该适时将氨从混合物中分离出来。,二、合成氨反应的速率,2,.,催化剂对反应速率的影响,加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的,活化能,从而增大,反应速率,。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。,3,.,温度,温度,越高,合成氨反应进行得越快。,2.催化剂对反应速率的影响,三、合成氨生产的适宜条件,1,.,合成氨反应条件的选择,工业生产中,必须从,反应速率,和,反应限度,两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的,转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的,产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。,三、合成氨生产的适宜条件,2,.,合成氨的适宜条件,2.合成氨的适宜条件,正误判断,判断下列说法是否正确,正确的打,“,”,错误的打,“”,。,(1),使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率和平衡转化率。,(,),(2),高压比常压条件更有利于合成氨的反应。,(,),(3)500,左右比室温更有利于合成氨的反应,提高,H,2,的平衡转化率。,(,),(4),合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率。,(,),(5),合成氨采用,210,7,510,7,Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高。,(,),(6),合成氨工业采用高压,不仅能提高转化率,还能缩短到达平衡的时间。,(,),答案,(1),(2),(3),(4),(5),(6),正误判断判断下列说法是否正确,正确的打“”,错误的打“”,课堂篇 素养提升,课堂篇 素养提升,探究,工业生产中选择适宜生产条件的思路,问题探究,利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。,1909,年,德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在,17.520 MPa,和,500600,下直接合成,反应器出口仅仅得到,6%,的氨。假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢,?,提示,最关心的问题应是如何提高单位时间内的产量以及原料的利用率。,探究工业生产中选择适宜生产条件的思路问题探究利用氮气与氢气直,深化拓展,1,.,合成氨最佳条件的分析与选择,(1),温度,:,升高温度有利于提高反应速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化剂都有一个适宜的使用温度。合成氨工业上一般采用,700 K,左右的温度。此温度催化剂活性最强。,(2),压强,:,增大压强,有利于提高反应速率,也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但压强越大,对设备材料、技术的要求就越高,生产成本也越高,综合考虑,工业上采用的压强一般为,110,7,110,8,Pa,。,深化拓展1.合成氨最佳条件的分析与选择,(3),浓度,:,理论上,n,(N,2,),n,(H,2,)=1,3,时,平衡转化率最高,但实验表明当,n,(N,2,),n,(H,2,)=1,时更有利于氨的合成。工业上通常采用,1,的比例投料,并且及时地分离出,NH,3,促使平衡正向移动。,(4),催化剂,:,催化剂不影响化学平衡,但能极大地加快反应速率,工业上一般采用铁触媒做合成氨的催化剂。,(3)浓度:,2,.,工业生产中选择适宜生产条件的思路,(1),从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。,(2),根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和化学平衡的影响,;,从反应速率和化学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。,2.工业生产中选择适宜生产条件的思路,素能应用,典例,合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。,(1),下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是,。,A.,使用铁作为催化剂有利于合成氨的反应,B.,高压比常压更有利于合成氨的反应,C.700 K,左右比室温更有利于合成氨的反应,D.,使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应,素能应用典例合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。,(2),已知工业合成氨的热化学方程式为,N,2,(g)+3H,2,(g) 2NH,3,(g),H,=-92.2 kJmol,-1,。,一定温度下,在容积恒定的密闭容器中,一定量的,N,2,和,H,2,反应达到平衡后,改变某一外界条件,反应速率与时间的关系如图所示,其中,t,2,、,t,4,、,t,7,时刻所对应的实验条件改变分别是,t,2,t,4,t,7,。,(2)已知工业合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g),温度为,T,时,将,2,a,mol H,2,和,a,mol N,2,放入,0.5 L,密闭容器中,充分反应达平衡后测得,N,2,的转化率为,50%,此时放出热量,46.1 kJ,则该温度下反应的平衡常数为,。,答案,(1)AC,(2),增大,N,2,或,H,2,的浓度加入催化剂降温,4.0 mol,-2,L,2,温度为T 时,将2a mol H2和a mol N2放入,解析,(1),使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,即正、逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,只是可以缩短达到平衡所需的时间,不能用平衡移动原理来解释。由于合成氨反应的正反应是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应,低温虽然可以提高氨气的产量,但是反应速率太慢,而温度太高虽能加快反应速率,但却使平衡混合物中氨气的含量降低,因此工业生产一般采用适宜的温度,既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量。,700,K,左右催化剂的活性最高,因此不能用平衡移动原理来解释。将反应产物氨气液化分离,降低了反应产物的浓度,将使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。,解析(1)使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,(2),t,2,时刻正反应速率瞬间加快,逆反应速率未变化,平衡正向移动,应是增大了反应物的浓度,;,t,4,时刻反应速率加快,但平衡未发生移动,应是加入了催化剂,;,t,7,时刻正、逆反应速率都瞬间减慢后平衡正向移动,应是降低了温度。,根据,“,三段式,”,计算,:,N,2,(g)+3H,2,(g) 2NH,3,(g),起始物质的量,浓度,/(molL,-1,),2,a,4,a,0,转化物质的量,浓度,/(molL,-1,),a,3,a,2,a,平衡物质的量,浓度,/(molL,-1,),a,a,2,a,(2)t2时刻正反应速率瞬间加快,逆反应速率未变化,平衡正,平衡时放出热量为,kJ,则平衡时,N,2,转化了,a,mol,则,a,。,平衡时放出热量为 kJ,则平衡时N2转化了 a mol,则,规律方法,合成氨条件的优化,规律方法 合成氨条件的优化,变式训练,1,哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得,1918,年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入,1 mol N,2,和,3 mol H,2,在一定条件下使该反应发生。下列有关说法正确的是,(,),A.,达到化学平衡时,N,2,将完全转化为,NH,3,B.,达到化学平衡时,N,2,、,H,2,和,NH,3,的物质的量浓度一定相等,C.,达到化学平衡时,N,2,、,H,2,和,NH,3,的物质的量浓度不再变化,D.,达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零,变式训练1哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得191,答案,C,解析,在密闭容器中进行的任何可逆反应不可能进行到底,因此,达到化学平衡时,氮气不可能完全转化为氨气,A,错,;,当正反应速率和逆反应速率相等,(,不为零,),时,反应达到平衡,此时,N,2,、,H,2,和,NH,3,的物质的量浓度不再变化,但不能认为,N,2,、,H,2,和,NH,3,的物质的量浓度一定相等。,答案C,变式训练,2,对于可逆反应,3H,2,(g)+N,2,(g) 2NH,3,(g),H,(3)ce,解析,(1),催化剂能降低反应的活化能。,(2),该反应正向为放热反应,低温有利于平衡正向移动,450,时反应正向进行的程度大,即,450,对应的平衡常数比,500,时大。,(3),高温使化学平衡逆向移动,H,2,转化率降低,a,不合理,;,催化剂对平衡无影响,b,不合理,;,增加,N,2,的浓度可以提高,H,2,的转化率,c,合理,;,增加,H,2,的浓度会降低,H,2,的转化率,d,不合理,;,分离出,NH,3,有利于平衡右移,提高,H,2,的转化率,e,合理。,答案(1)降低催化剂能降低反应的活化能,
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