高中化学 第2章第4节化学反应条件的优化——工业合成氨课件同步导学 鲁科版选修4

第4节化学反应条件的优化工业合成氨 1认识合成氨的化学原理。 2应用化学平衡和化学反应速率的有关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依据和原则。 一、合成氨反应的限度 (1)自发性：常温下能自发进行。 (2)可逆性：反应为可逆反应。 (3)体积变化：正反应是气体体积 的反应。 (4)焓变：。减小减小H0 2合成氨反应的限度 (1) 温度、压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 (2)在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为时平衡混合物中氨的含量最高。降低降低增大增大1 3 开放探究1.合成氨工业生产中，为什么采用N2和H2物质的量之比为1 2.8的投料比？ 提示：由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤，当适当提高氮气的比例，即N2和H2物质的量之比为1 2.8时更能加快合成氨反应的进行。 二、合成氨反应的速率 三、合成氨的适宜条件 1合成氨反应条件的选择原则 (1)尽量增大反应物的，充分利用原料； (2)选择较快的 ，提高单位时间内的产量； (3)考虑设备和技术条件。转化率转化率反应速率反应速率 2合成氨反应的适宜条件 (1)压强 适宜条件 理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。 (2)温度 适宜条件：左右 理论依据：该温度下催化剂的活性最高，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。 (3)催化剂 适宜条件：以为主的多成分催化剂，又称 。 理论依据：加快反应速率。700 K铁触媒铁触媒铁铁 (4)浓度 适宜条件：氮气和氢气按分压比混合。 理论依据：适当提高氮气的分压，来提高氢气的转化率。 (5)其他 为 了 提 高 原 料 的， 未 反 应 的 氮 气 和 氢 气。1 2.8利用率利用率循环使用循环使用 开放探究2.合成氨工业生产中，为什么采用未转化的合成气的循环使用？ 提示：合成氨反应中，如果让N2和H2的混合气体只通过一次合成塔起反应是很不经济的，应将分离液氨后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。 1合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义，原合成氨需要20 MPa、700 K，用铁做催化剂，最近美国俄勒冈大学的化学家使用了一种名为transFe(DMeOPrPE)2的催化剂，常温下用N2和H2合成了氨。下列有关说法正确的是() A原合成氨是吸热反应，而新法合成氨为放热反应 B新法合成比原合成节约能源，具有很好的发展前景 C新法能在常温下进行是因为不需要破坏化学键 D加压不利于新法合成氨 答案：B 2从化学反应速率和化学平衡两方面考虑，合成氨应采用的条件是() A低温、高压、催化剂 B低温、低压、催化剂 C高温、高压、催化剂 D适当温度、低压、催化剂 解析：根据合成氨反应的特点、外界条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂的活性进行选择。 答案：C 3使一定量的氮气、氢气合成氨，施加催化剂和高压的反应条件，下列叙述中正确的是() A都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响 D催化剂能缩短达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用 解析：催化剂只能提高化学反应速率，缩短反应达到平衡状态所用的时间，不能改变化学平衡状态。对氮气、氢气合成氨的反应来说，加压既能加快化学反应速率，又能使平衡状态向生成氨的反应方向移动。加快了化学反应速率，必然缩短了反应达到平衡所用的时间。 答案：C 化工生产选择适宜条件的思路 对于某一特定的实际反应，选取适宜的外界条件的基本思路如下： 1从可逆性、反应前后气体系数的变化、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速率和平衡的影响；从速率和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。外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度高温H0低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度H0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取催化剂压强高压(有气体参加)(g)0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压(g)0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 (1)选取适宜的化工生产条件时，要运用反应速率和化学平衡移动原理，同时考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。 (2)自然界中，生物固氮酶催化的作用，在常温常压下、将游离的N2转化为化合态氮，因此防生固氮酶催化剂可大大提高N2转化速率和效率。压强转 化 率温度1105Pa1106Pa5106Pa1107Pa450 97.5%99.2%99.6%99.7%550 85.6%94.9%97.7%98.3% (1)根据化学理论综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_ _ _。 (2)实际生产中，选定400500 作为操作温度，其原因是_。 (3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_ _ _。 (4)在生产中，通入过量空气的目的是_。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了_。 思路点拨：解答本题注意以下两点： (1)抓住本反应的反应特点。 (2)把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。 从提高反应速率考虑，合成SO3需要加入催化剂和升温，加压；从增大反应物的转化率方面考虑，合成SO3需低温，加压，通入廉价空气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜条件。 答案：(1)常压、450 、催化剂 (2)在此温度下催化剂的活性最高 (3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5 %)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失 (4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率 (5)防止污染环境 解析：该反应的特点是：正反应是一个气体体积缩小的吸热反应。根据化学反应速率要尽量大的原理：需要升高温度、增大压强、使用正催化剂；根据平衡移动原理，也是升高温度、增大压强，才有利于Z的生成。 答案：A 1(2011龙岩高二质检)合成氨工业中，常加热到700 K左右的温度，理由是() 适当提高合成氨的反应速率提高氢气转化率提高氨的产率催化剂在700 K时活性最大 AB C D 解析：温度对合成反应的限度和速率的影响不一致，一般采用700 K左右的温度，主要是因为催化剂在700 K时活性最大。 答案：D 2(2011徐州高二质检)合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下： 关于合成氨工业的说法中不正确的是() A混合气进行循环利用遵循绿色化学思想 B合成氨反应须在低温下进行 C对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率 D使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动 答案：B 3不能用化学平衡移动原理说明的事实是() A合成氨在高压下进行是有利的 B温度过高对合成氨不利 C使用催化剂能使合成氨速率加快 D及时分离从合成塔中出来的混合气，有利于合成氨 解析：合成氨反应是放热的，气体体积减小的反应，高压、及及分离氨有利于平衡右移；温度升高会使平衡向左移，不利于氨的合成；使用催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡无影响。 答案：C 4根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是() A研制耐高压的合成塔 B采用超大规模的工业生产 C研制耐低温复合催化剂 D探索不用H2和N2合成氨的新途径 解析：在其他条件相同的情况下，使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 答案：C 解析：(1)醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。 (2)放出CO的反应应采用高温、低压作为生产条件。 答案：(1)低温、高压 (2)高温、低压