第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨學(xué)業(yè)基礎(chǔ)核心素養(yǎng)當(dāng)堂評價(jià)核心微網(wǎng)絡(luò)

素養(yǎng)新目標(biāo)1.了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件。2．了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異。3．認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。學(xué)業(yè)基礎(chǔ)一、合成氨反應(yīng)的限度1．反應(yīng)原理N2(g)＋3H2(g)?2NH3(g)在298K時(shí)：ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。2．反應(yīng)特點(diǎn)可逆減小＜＜＜能3．影響因素(1)反應(yīng)條件：________溫度、________壓強(qiáng)，有利于化學(xué)平衡向合成氨的方向移動(dòng)。(2)投料比：溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)，N2、H2的體積比為________時(shí)平衡混合物中氨的百分含量最高。降低增大1∶3狀元隨筆合成氨反應(yīng)中，為了提高原料轉(zhuǎn)化率，常采用將未轉(zhuǎn)化的N2、H2循環(huán)使用的措施。二、合成氨反應(yīng)的速率1．增大合成氨反應(yīng)速率的方法2．濃度與合成氨反應(yīng)速率之間的關(guān)系在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的濃度，________NH3的濃度，都有利于提高合成氨反應(yīng)的速率。升高增大增大催化劑增大減小狀元隨筆溫度升高，k值增加，加快反應(yīng)速率；同時(shí)加入合適的催化劑能降低合成氨反應(yīng)的活化能，使合成氨反應(yīng)的速率提高。三、合成氨反應(yīng)的適宜條件1．合成氨反應(yīng)適宜條件分析工業(yè)生產(chǎn)中，必須從________和________兩個(gè)角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應(yīng)物的________，充分利用原料，又要選擇較快的反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的________，同時(shí)還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。反應(yīng)速率反應(yīng)限度轉(zhuǎn)化率產(chǎn)量2．合成氨的適宜條件序號影響因素選擇條件1溫度反應(yīng)溫度控制在________左右2物質(zhì)的量N2、H2投料比________3壓強(qiáng)1×107～1×108Pa4催化劑選擇________作催化劑700K1∶2.8鐵狀元隨筆合成氨反應(yīng)條件的選擇原則1．盡量增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料。2．選擇較快的反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量。3．考慮設(shè)備和技術(shù)條件。【即學(xué)即練】1．判斷下列說法是否正確，正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”。(1)合成氨反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行。(

)(2)溫度越高越利于合成氨反應(yīng)平衡正向移動(dòng)。(

)(3)合成氨反應(yīng)中，壓強(qiáng)越大越利于反應(yīng)速率加快和平衡正向移動(dòng)。(

)解析：合成氨反應(yīng)ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低溫時(shí)小于0。解析：合成氨反應(yīng)ΔH＜0，溫度越低越利于平衡正向移動(dòng)。解析：合成氨正反應(yīng)是一個(gè)氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)?！痢痢?4)使用催化劑能提高合成氨反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。(

)(5)升高溫度，對合成氨的正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大(

)(6)增大壓強(qiáng)，對合成氨的正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大(

)(7)加入催化劑，對合成氨的正逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影響程度相同(

)解析：催化劑同倍數(shù)加快正、逆反應(yīng)速率，對轉(zhuǎn)化率無影響。解析：合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率都增大，但是溫度對吸熱反應(yīng)的速率影響更大，所以對該反應(yīng)來說，對逆反應(yīng)速率影響更大。解析：合成氨的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，對正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大。解析：加入催化劑，對正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響相同?！痢痢獭?．合成氨反應(yīng)通?？刂圃?0～50MPa的壓強(qiáng)和500℃左右的溫度，且進(jìn)入合成塔的氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為1∶3，經(jīng)科學(xué)測定，在相應(yīng)條件下氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)所得氨的平衡濃度(體積分?jǐn)?shù))如表所示：而實(shí)際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約為15%，這表明(

)A．表中所測數(shù)據(jù)有明顯誤差B．生產(chǎn)條件控制不當(dāng)C．氨的分解速率大于預(yù)測值D．合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡

20MPa60MPa500℃19.142.2答案：D解析：表中數(shù)據(jù)為通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)所得，不可能有明顯誤差；合成氨連續(xù)操作，不可能對生產(chǎn)條件控制不當(dāng)；平衡濃度與速率的大小沒有直接關(guān)系，因此答案選D。這說明合成氨工業(yè)考慮單位時(shí)間的產(chǎn)量問題，并未讓合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡，因?yàn)樽尫磻?yīng)達(dá)到平衡需要一定的時(shí)間，時(shí)間太長得不償失。3．(雙選)硫酸是一種重要的化工產(chǎn)品，目前主要采用“接觸法”進(jìn)行生產(chǎn)。有關(guān)接觸氧化反應(yīng)2SO2＋O22SO3的說法中正確的是(

)A．實(shí)際生產(chǎn)中，SO2和O2再循環(huán)使用體現(xiàn)綠色化學(xué)B．該反應(yīng)達(dá)到平衡后，反應(yīng)就完全停止了，即正、逆反應(yīng)速率均為零C．在達(dá)到平衡的體系中，充入由18O組成的O2后，SO2中18O含量減少，SO3中18O含量增多D.在工業(yè)合成SO3時(shí)，要同時(shí)考慮反應(yīng)速率和反應(yīng)能達(dá)到的限度兩方面的問題答案：AD解析：反應(yīng)為可逆反應(yīng)，SO2和O2不能全部轉(zhuǎn)化為SO3，因此SO2、O2循環(huán)使用可避免污染，提高利用率，體現(xiàn)了綠色化學(xué)，A正確；達(dá)到平衡后反應(yīng)不停止，正、逆反應(yīng)速率相等，B錯(cuò)；達(dá)到平衡后充入由18O組成的O2，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，SO3中18O含量增多，因?yàn)榉磻?yīng)可逆，SO2中18O含量也增多，C錯(cuò)；D正確。4．有平衡體系：CO(g)＋2H2(g)?CH3OH(g)

ΔH＜0，為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是(

)A．高溫、高壓

B．適宜溫度、高壓、催化劑C．低溫、低壓

D．高溫、高壓、催化劑答案：B解析：該反應(yīng)是一個(gè)正向放熱，氣體體積減小的反應(yīng)，為增加甲醇的產(chǎn)量，需平衡正向移動(dòng)，理論上可采用低溫、高壓的方式，但在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮反應(yīng)速率，設(shè)備承受的壓力及催化劑的活性等因素的影響。5．(雙選)下列有關(guān)工業(yè)合成氨的敘述中正確的是(

)A．溫度升高，不利于提高合成氨的反應(yīng)速率B．工業(yè)上選擇合適的條件，可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C．合成氨反應(yīng)平衡的移動(dòng)受溫度、濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D．使用鐵觸媒，可以使氮?dú)夂蜌錃饣纤俾拭黠@增大答案：CD解析：溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率增大，A錯(cuò)誤。從提高反應(yīng)速率的角度來說，合成氨是溫度越高越好，但溫度越高氮的轉(zhuǎn)化率越低，綜合反應(yīng)速率、化學(xué)平衡和催化劑的活性三方面考慮，因此選擇溫度為700K左右。任何可逆反應(yīng)都是有限度的，無論選擇怎樣的條件，氮?dú)庖膊粫耆D(zhuǎn)化為氨，B錯(cuò)誤。降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)；增大反應(yīng)物的濃度，減小生成物的濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，工業(yè)生產(chǎn)就是不斷地向合成塔中送入氮?dú)夂蜌錃?，并將生成的氨分離出去；壓強(qiáng)越大越有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，但增大壓強(qiáng)要受到設(shè)備的制約，C正確。使用催化劑可以顯著提高化學(xué)反應(yīng)速率，D正確。6．工業(yè)上有一種用CO2生產(chǎn)甲醇燃料的方法：CO2(g)＋3H2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－49.0kJ·mol－1某實(shí)驗(yàn)中將6molCO2和8molH2充入2L的密閉容器中，測得H2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖曲線(甲)所示。請完成下列問題：(1)a點(diǎn)正反應(yīng)速率________逆反應(yīng)速率(填“＞”“＜”或“＝”)。(2)若僅改變某一實(shí)驗(yàn)條件再進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，測得H2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖中虛線(乙)所示，虛線(乙)對應(yīng)改變的實(shí)驗(yàn)條件可以是________(填序號)。a．加催化劑 b．增大壓強(qiáng)c．升高溫度 d．增大CO2濃度＞bd解析：(1)a點(diǎn)時(shí)，H2量減小，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，v正＞v逆。(2)由圖像知虛線(乙)中H2的反應(yīng)速率變大，結(jié)合化學(xué)方程式可知，增大壓強(qiáng)或增大CO2濃度均可以加快H2的消耗速率，且達(dá)到平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量小于甲；使用催化劑盡管可以增大反應(yīng)速率，但平衡狀態(tài)應(yīng)與甲相同；升高溫度可增大反應(yīng)速率，但平衡時(shí)H2的量應(yīng)多于甲，故b、d項(xiàng)符合題意。核心素養(yǎng)目標(biāo)工業(yè)合成氨適宜條件的選擇例

在合成氨工業(yè)中，要使氨的產(chǎn)率增大，同時(shí)又能提高化學(xué)反應(yīng)速率，可采取的措施有(

)①增大容器體積使壓強(qiáng)減小②減小容器體積使壓強(qiáng)增大③升高溫度④降低溫度⑤恒溫恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒溫恒壓，再充入等量的N2和H2⑦及時(shí)分離產(chǎn)生的NH3

⑧使用催化劑A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤

D．①②③⑤⑧答案：C解析：從反應(yīng)速率的角度分析，①④⑦均使化學(xué)反應(yīng)速率降低，②③⑤⑧均使化學(xué)反應(yīng)速率升高，⑥不影響化學(xué)反應(yīng)速率。從平衡移動(dòng)的角度分析，②⑤使化學(xué)平衡正向移動(dòng)，使氨的產(chǎn)率增大，③使化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，⑧不影響化學(xué)平衡。狀元隨筆工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路：對于某一特定的實(shí)際反應(yīng)，選取適宜的反應(yīng)條件的基本思路如下：(1)分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)：從可逆性、反應(yīng)前后氣體系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析。(2)根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)具體分析外界條件對速率和平衡的影響。(3)從速率和平衡的角度進(jìn)行綜合分析，再充分考慮實(shí)際情況，選出適宜的反應(yīng)條件。反應(yīng)條件有利于加快速率的條件控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物的濃度不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)地分離出生成物催化劑加合適的催化劑不需要加合適的催化劑溫度高溫ΔH＞0高溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度ΔH＜0低溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性壓強(qiáng)高壓(有氣體參加)ΔV(g)＜0高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓ΔV(g)＞0低壓兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強(qiáng)[提升]下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法正確的是(

)A．N2的量越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B．恒容條件下，充入稀有氣體有利于NH3的合成C．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行D．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵減小的放熱反應(yīng)，在常溫時(shí)可自發(fā)進(jìn)行答案：D解析：A錯(cuò)，投料比為n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8時(shí)，更有利于NH3的合成。B錯(cuò)，恒容條件下，充入稀有氣體對平衡無影響。C錯(cuò)、D對，ΔH－TΔS＜0時(shí)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，而合成氨反應(yīng)的ΔH<0、ΔS＜0，在常溫條件下該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。狀元隨筆(1)合成氨生產(chǎn)的要求。合成氨工業(yè)要求：①反應(yīng)要有較快的反應(yīng)速率。②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。(2)合成氨生產(chǎn)條件的選擇依據(jù)。①化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理的有關(guān)知識。②合成氨生產(chǎn)中的動(dòng)力、材料、設(shè)備、生產(chǎn)成本等因素。【關(guān)鍵能力】選擇合成氨生產(chǎn)條件的理論分析外界因素理論分析壓強(qiáng)壓強(qiáng)越大越有利于合成氨，但在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)設(shè)備可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)，大致分為低壓、中壓和高壓三種類型，一般采用高壓溫度溫度越高，反應(yīng)速率越大，但不利于氨的合成，在實(shí)際生產(chǎn)中一般控制反應(yīng)溫度在700K左右(且在此溫度時(shí)催化劑的活性最大)催化劑使用催化劑可以大幅度提高反應(yīng)速率，合成氨生產(chǎn)一般選擇鐵作催化劑濃度合成氨生產(chǎn)通常采用N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8的投料比，并且及時(shí)將氨氣從反應(yīng)混合物中分離出去其他為提高平衡轉(zhuǎn)化率，工業(yè)合成采用的原料循環(huán)利用當(dāng)堂評價(jià)1．(雙選)工業(yè)上合成氨一般采用700K左右的溫度，其原因是(

)A．適當(dāng)提高氨的合成速率B．提高H2的轉(zhuǎn)化率C．提高氨的產(chǎn)率D．催化劑在700K時(shí)活性最大答案：AD2．可逆反應(yīng)3H2(g)＋N2(g)?2NH3(g)

ΔH＜0，達(dá)到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項(xiàng)中采用的三種方法都正確的是(

)A．升高溫度，減小壓強(qiáng)，增加氮?dú)釨．降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑C．升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)釪．降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨答案：D3．1913年德國化學(xué)家哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，從而大大滿足了當(dāng)時(shí)日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是(

)A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④答案：B4．在密閉容器內(nèi)，N2、H2起始的物質(zhì)的量分別為10mol、30mol，達(dá)到平衡時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率為25%。若從NH3開始，在相同條件下欲使平衡時(shí)各成分的百分含量與前者相同，則應(yīng)加入NH3的物質(zhì)的量及NH3的轉(zhuǎn)化率為(

)A．15mol和25% B．20mol和50%C．20mol和75% D．40mol和50%答案：C

5.(雙選)某溫度下，對于反應(yīng)N2(g)＋3H2