2018-2019版高中化学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨学案 鲁科版选修4.doc

第4节化学反应条件的优化工业合成氨学习目标定位1.应用化学反应速率和化学平衡原理，会选择合成氨的适宜条件。2.体会应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。一、合成氨反应的限度、速率1.合成氨反应的特点合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：H92.2 kJmol1，S198.2 Jmol1K1。(1)可逆性：反应为可逆反应。(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。(3)焓变：H0，熵变S0。(4)自发性：常温(298 K)下，HTS0，能自发进行。2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较条件提高反应速率提高平衡转化率综合结果压强高压高压高压温度高温低温兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性催化剂使用无影响使用浓度增大反应物浓度增大反应物浓度，降低生成物浓度增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度合成氨反应条件和选择依据提高H2转化率的措施有降温、加压、增大N2浓度、降低NH3浓度。例1可逆反应3H2(g)N2(g)2NH3(g)H0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是()A.升高温度，减小压强，增加氮气B.降低温度，增大压强，加入催化剂C.升高温度，增大压强，增加氮气D.降低温度，增大压强，分离出部分氨答案D解析要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。考点工业合成氨反应条件的选择题点外界条件对合成氨平衡移动的影响例2对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，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.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用答案C解析对于化学反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。考点工业合成氨反应条件的选择题点外界条件对合成氨影响的综合二、工业合成氨的适宜条件1.工业合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(1107Pa1108Pa)温度适宜温度，700 K左右催化剂使用铁触媒做催化剂浓度N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去2.问题讨论(1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在11071108 Pa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。(2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。700_K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。合成氨反应条件和选择依据工业生产中，必须从反应限度和反应速率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。例3下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应C.500 左右比室温更有利于合成氨的反应D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率答案B解析催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500 是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合知识总结合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离NH3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。例4已知2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H”或“”)0。实际生产条件控制在250 、1.3104 kPa左右，选择此压强的理由是_。答案在250 、1.3104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低解析从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故H0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3104 kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。考点化工生产适宜条件的选择题点合成氨适宜条件选择依据的应用1.在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有()增大体积使压强减小减小体积使压强增大升高温度降低温度恒温恒容，再充入N2和H2 恒温恒压，再充入N2和H2及时分离产生的NH3使用催化剂A. B.C. D.答案C解析根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，三种条件下化学反应速率降低；条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：条件下化学平衡向右移动；条件下化学平衡不移动。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对合成氨影响的综合2.下列事实能用勒夏特列原理解释的是()A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B.由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深C.700 K时比室温更有利于合成氨的反应D.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应答案D解析A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒夏特列原理解释；C项，根据勒夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取700 K，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合3.对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是()A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大答案B解析A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大；错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合4.在密闭容器中，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：3H2N22NH3Hv正，N23H22NH3(正反应为放热反应)，故温度升高，v逆v正。图中t3时刻比原来的速率大，而且变化过程中v逆v正，说明平衡未被打破，所以应该是催化剂导致的。图中t4时刻的变化，v逆、v正都减小且v逆v正，所以不可能是温度的影响，应该是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合对点训练题组1合成氨反应适宜条件的选择1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A. B. C. D.答案B解析操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对合成氨平衡移动的影响2.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是()A.不断将氨分离出来B.使用催化剂C.采用500 左右的高温而不是700 的高温D.采用21075107Pa的压强答案B解析把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度(700 K)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对合成氨平衡移动的影响3.下列有关合成氨工业的说法中，正确的是()A.从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在700 K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件答案B解析合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择2050 MPa，D项错误。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合4.下列有关合成氨工业的说法中正确的是()A.铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B.升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C.增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D.合成氨采用的压强是21075107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高答案C解析催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强加快反应速率，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。考点工业合成氨条件的选择题点外界条件对工业合成氨影响的综合题组2合成氨反应的图像题5.某密闭容器中发生如下反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是()A.t2时加入催化剂 B.t3时降低了温度C.t5时增大了压强D.t4t5时间内转化率一定最低答案A解析合成氨反应前后气体系数减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动； t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。考点化学反应速率和化学平衡图像题点速率时间(vt)图像6.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；D项，反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。考点化学反应速率和化学平衡图像题点物质的量时间图像7.在N2(g)3H2(g)2NH3(g)HKC.平衡体系中NH3的含量增大D.N2的转化率增大答案D 解析分离出NH3，Qv逆，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，使体系中NH3的含量减小。考点化学反应速率和化学平衡图像题点速率时间(vt)图像8.某温度下，对于反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1。N2的平衡转化率()与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是()A.将1 mol氮气、3 mol氢气，置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJB.平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)K(B)C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大D.升高温度，平衡常数K增大答案C解析该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。考点化学反应速率和化学平衡图像题点转化率压强图像题组3化工生产适宜条件的选择9.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H甲B.平衡后N2的浓度：乙甲C.H2的平衡转化率：乙甲D.平衡混合气体中H2的体积分数：乙甲答案D解析因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确；假设开始时乙容器的体积是甲的2倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)，则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项正确，D项错误；平衡时，乙中N2、H2、NH3的浓度分别比甲中N2、H2、NH3浓度大，但乙中N2、H2的浓度要分别小于甲中N2、H2浓度的2倍，而乙中NH3的浓度要大于甲中NH3浓度的2倍，故B项正确。考点化学平衡的综合题点恒温恒容下的平衡比较13.在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示，请回答下列问题：(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是_。(2)此可逆反应的正反应是_热反应。(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由：_。答案(1)A点、B点(2)放(3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低解析(1)从图像中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡。(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。考点化学平衡的图像题点百分含量(或质量分数)温度图像14.如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题：(1)若反应中生成2 mol氨，则反应_(填“吸热”或“放热”)_kJ。(2)在图中曲线_(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_。(3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ，则曲线b对应的温度可能是_(填字母)。A.600 B.550 C.500 D.450 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g)H0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表：t/minCH4/molL1H2O/molL1CO/molL1H2/molL100.20.3002n1n2n30.33n1n2n30.340.090.19x0.33表中x_molL1；前2 min内CH4的平均反应速率为_。反应在34 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是_(填字母)。A.充入水蒸气 B.升高温度C.使用催化剂 D.充入氢气答案(1)放热92(2)b改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能(3)D(4)0.110.05 molL1 min1B解析(1)由图中能量状态可知N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，每生成2 mol NH3放出(600508) kJ92 kJ热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以b曲线对应的温度低于a曲线对应的温度。(4) 前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)v(H2)0.05 molL1 min1。由表分析23分钟时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 molL1。 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g)起始浓度( molL1) 0.2 0.3 0 0 转化浓度( molL1) 0.1 0.1 0.1 0.3 0.1 0.2 0.1 0.3 0.01 0.01 0.01 0.03 0.09 0.19 0.11 0.33所以x0.11 molL1。3 min时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min时，水蒸气浓度应多于0.2 molL1 ；若升高温度，平衡向右移动，反应物均减小，生成物均增加，而且变化量正好等于化学方程式系数比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入H2，平衡向左移动，生成物浓度均多于2 min时的浓度。考点化学反应速率与化学平衡的综合题点相关概念、规律、计算的综合应用15.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强1.0105 Pa、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量/106 mol4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)2NH3(g)O2(g)H765.2 kJ mol1回答下列问题：(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议： _。(2)工业合成氨的反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算：该条件下N2的平衡转化率_。该条件下反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为_。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_(填字母)。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合成氨的新途径答案(1)升温、增大N2浓度、不断移出生成物 (2)66.7%5.0103 mol2L2c解析(2)设反应过程消耗x mol N2(g)。N2(g)3H2(g)2NH3(g)起始物质的量(mol) 0.60 1.60 0平衡物质的量(mol) 0.60x 1.603x 2x平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数为2x(2.202x)解得，x0.40，N2的平衡转化率为100%66.7%。设此时反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，NH320.40 mol2.0 L0.40 molL1 ，N2(0.600.40) mol2.0 L0.10 molL1，H2(1.6030.40) mol2.0 L0.20 molL1，K5.0103 mol2L2。考点化学反应速率和化学平衡的综合题点相关概念、规律、计算的综合应用