鲁教化学高二教案练习答案选修四选修4第二章第四节.doc

化学反应条件的优化工业合成氨合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时: H= -92.2KJmol1 ， S = -198.2JK1mol1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为4.1106（molL1)2。合成反应的特点：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积) (3体积) (2体积)可逆反应 熵减小的反应 正反应气态物质系数减小 正反应是放热反应一、合成氨反应的限度 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为 1：3 时平衡混合物中氨的含量最高。二、合成氨反应的速率1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂2.增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去3.使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。三、合成氨的适宜条件的选择外界条件使NH3生产得快使NH3生产得多速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反应物的浓度增大浓度增大浓度生成物氨的浓度减小浓度减小浓度研讨的内容研讨的问题研讨的结构1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好温度怎么选择？3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？要不要用催化剂？【分析】1、压强怎么选？合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。【结论】综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。【分析】2、温度怎么选择？因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。催化剂要在一定温度下催化活性最大。【结论】综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。【分析】3、用不用催化剂？经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。【结论】实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。【分析】4、浓度怎么定？ N2和H2的比例怎么定？增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。【结论】实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。研讨的结果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温度适宜温度 700K左右催化剂使用铁触媒作催化剂浓度N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去【小结】工业上利用某可逆反应生产产品： 1、一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 2、选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度； 3、选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。【题】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是高温低温低压高压催化剂加氨除氨A. B. C. D. 【解析】合成氨工业利用N23H22NH3 H 0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。故综上所述有（B）。【题】在一定条件下，可逆反应N23H22NH3 H 0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是A.加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等B.加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数【解析】催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应H 0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。故C、D均不正确。【CD】【题】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为COH2O(g)CO2H2H 0，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（）A.增大水蒸气的浓度B.升高温度C.增大CO浓度D.增大压强【解析】欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，必然要求改变条件使平衡向正反应方向移动。COH2O(g)CO2H2H 0从中可知本反应为气体系数不变且正反应放热的反应，所以可以提高反应物水蒸气的浓度。升高温度虽然可以提高反应速率，但会使平衡向左移，如果降低温度，可使平衡右移，却又会降低反应速率，但会符合题目要求，可惜无此选项。增大CO浓度，虽可以提高H2的产率，但自身的转化率却会降低。压强对气体系数不变的反应无影响。A【题】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3 ：1 ：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9 ：3 ：4，则此时N2的转化率为（）A.10% B.20% C.15% D.30%【解析】 3H2 N2 2NH3 起始量 1转化量 3x x 2x平衡量x 1x 2x(x)：（1x）：2x9 ：3 ：4故x=0.1所以N2的转化率为 A【题】在一定条件下，2NH33H2N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（）A.：B.：C.：D.：【解析】2NH33H2 N2起始量x 0 0转化量 50%x 0.75x 0.25x平衡量 0.5x 0.75x 0.25x反应前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反应后与反应前密度之比等于物质的量的反比，即为。 B 【题】在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N23H22NH3 H 0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的倍，则下列说法中正确的是（）A.平衡不移动B.平衡向正方向移动C.平衡向逆反应方向移动D.NH3的百分含量增加【解析】将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的倍，则反应的速率增大，其他条件不变也就是说将气体进行压缩，容器体积减小，使平衡向气体系数减小的方向移动，故平衡向正方向移动。进而使NH3的百分含量增加。BD【题】在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%，含H2的体积分数为78%，经过合成反应达到平衡后，在相同的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（）A.12.5% B.11.4% C.10.5% D.9%【解析】设原气体体积为V，则平衡后体积为V0.95VN23H22NH3 V1 3 2 2转化中0.025V 0.075V 0.05V V0.95V所以N2的转化率为 B【题】工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（ ）A. 700 K 时此反应速率最快B. 700 K 时氨的平衡浓度最大C. 700 K 时氨的转化率最高D. 700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用【解析】温度越高反应速率越快，所以排除A选项；N23H22NH3 H 0，所以温度越高氨的平衡浓度越大，转化率越高，所以排除B、C选项。综合可得只有D选项最贴切。【题】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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂效率都很低B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在500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是2050 Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最大【解析】本题主要是理解合成氨的过程，以及温度、浓度、催化剂等对该反应的影响，不难选出答案。B【题5】.向体积不变的密闭容器中充入2 mol N2和6 mol H2，一定条件下发生反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)，平衡时混合气共7 mol。令a、b、c分别代表N2、H2、NH3起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变。则：(1)若a0，b0，则c ；(2)若a0.7，b2.1，则：c这时反应向进行；若要维持反应开始时即向该反应方向进行，c的取值范围是；(3)欲使起始反应维持向与（）相反的方向进行，则b的取值范围是。【解析】(1)根据等效平衡，可利用完全转化的思维进行变化。应与起始相等。 N2 3H2 2NH3起始mol 6mol 0mol起始mol 0mol c mol转化 0.5cmol 1.5cmol c mol极限 0.5cmol 1.5cmol 0mol0.5cmolmol c4(2)符合题设条件的各起始量之差应与反应式中相应系数成比例。 N2(g) 3H2(g) 2NH3(g)起始条件0.7 2.1 c0.70.5cc2.6题设条件平衡时共7 mol气体，而(2)小题起始量才5.4mol(0.7mol2.1mol2.6mol)，所以起始反应向逆反应方向进行。从三个极限起始量考虑，即N2转化率等于0时，2 mol N2、6 mol H2、n(NH3)；N2转化率等于100%时，n(N2)、n(H2)、n(NH3)4 mol；现求平衡时各成分的物质的量，设平衡时N2转化了x mol，N2(g) 3H2(g) 2NH3(g)x 3x 2x2x 63x 2x依题意：(2x)(63x)2x7，x0.5所以平衡时，n(N2)1.5 mol、n(H2)4.5 mol、n(NH3)1 mol将三个极限起始量加以分析对比：N2(g) 3H2(g) 2NH3(g)（N2转化率为时起始量）1.5 4.5 1（平衡量为起始量）（N2转化率为100%时起始量）可以看出，为了维持反应开始向逆反应方向进行，c的起始范围是1c4。（）同理，为了维持反应开始向正反应方向进行，b的起始范围是4.5b6。