1、第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨,1.認(rèn)識(shí)合成氨的化學(xué)原理。 2應(yīng)用化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識(shí)選擇合成氨的條件。 3了解合成氨生產(chǎn)的主要流程。 4了解工業(yè)條件選擇的依據(jù)和原則。,課程標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航,(2)化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn) 該反應(yīng)是一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的、_熱的、氣體體積_的可逆反應(yīng)。 2合成氨反應(yīng)的限度分析 _溫度、_壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，在一定溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物氮?dú)?、氫氣的體積比為_時(shí)，平衡混合物中氨的含量最高。,放,減小,降低,增大,13,二、合成氨反應(yīng)的速率 增大_，使用合理_，升高_(dá)均可增大合成氨反應(yīng)的反應(yīng)速率。,反應(yīng)物濃度,催化劑,溫度,三、合成氨的適宜條件 1合成氨反

2、應(yīng)條件的選擇原則 (1)盡量增大反應(yīng)物的_，充分利用原料； (2)選擇較快的_，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。,轉(zhuǎn)化率,反應(yīng)速率,2合成氨反應(yīng)的適宜條件 (1)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_、_和_三種類型。,低壓,中壓,高壓,(2)溫度 溫度越高，反應(yīng)速率_，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_ K左右(且在此溫度時(shí)催化劑的活性_)。 (3)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_做催化劑。,越大,700,最大,鐵,(4)濃度 合成氨生產(chǎn)通常采用N2和H2物質(zhì)

3、的量之比為12.8的投料比，及時(shí)將氨氣從反應(yīng)混合物中分離出去。此外，還應(yīng)考慮原料的_、未轉(zhuǎn)化的合成氣的_使用、_的綜合利用等問題。,價(jià)格,循環(huán),反應(yīng)熱,1從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面考慮,合成氨應(yīng)采用的條件是() A低溫、高壓、催化劑 B低溫、低壓、催化劑 C高溫、高壓、催化劑 D適當(dāng)溫度、低壓、催化劑,解析：選C。根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)、外界條件對(duì)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響及催化劑的活性進(jìn)行選擇。,2合成氨時(shí)，既要使H2的轉(zhuǎn)化率增大，又要使反應(yīng)速率增大，可采取的方法是() A補(bǔ)充H2 B升高溫度 C增大壓強(qiáng) D使用催化劑 解析：選C。補(bǔ)充H2，使反應(yīng)速率加快，但H2的轉(zhuǎn)化率降低；升溫，反應(yīng)速率

4、加快，平衡左移，H2的轉(zhuǎn)化率降低；增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率加快，平衡右移，H2的轉(zhuǎn)化率提高；催化劑只能加快反應(yīng)速率，而不會(huì)提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。,3在合成氨工業(yè)中，達(dá)到下列目的的變化過程中與平衡移動(dòng)無關(guān)的是() 為增加NH3的日產(chǎn)量，不斷將NH3分離出來 為增加NH3的日產(chǎn)量，使用催化劑 為增加NH3的日產(chǎn)量而采用1107 Pa1108 Pa的壓強(qiáng) 為增加NH3的日產(chǎn)量，采用700 K左右的高溫,A B C D 解析：選D。中催化劑不能使平衡移動(dòng)，中升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，不利于NH3的生成，故選D。,探究導(dǎo)引1怎樣考慮合成氨的適宜條件？ 提示：運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，同時(shí)考慮合成氨生產(chǎn)中

5、的動(dòng)力、材料、設(shè)備等因素，選擇合成氨的適宜條件。,要點(diǎn)歸納 1提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率的措施,2.合成氨反應(yīng)的適宜條件,特別提醒 工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化的一般原則工業(yè)生產(chǎn)中既要考慮反應(yīng)速率快，又要考慮原料利用率高，所以在選擇生產(chǎn)條件時(shí)，應(yīng)從這兩方面分析，同時(shí)也要考慮實(shí)際條件的限制。當(dāng)兩者出現(xiàn)矛盾時(shí)，兩者都要兼顧，特別要適應(yīng)催化劑的活性，如合成氨及合成三氧化硫的溫度的選擇。壓強(qiáng)則在條件允許范圍內(nèi)選擇；,同時(shí)還可增大廉價(jià)原料的用量，及時(shí)分離出產(chǎn)物，既可以增大反應(yīng)速率，又可提高平衡轉(zhuǎn)化率。,即時(shí)應(yīng)用,(2)若降低溫度，會(huì)使上述化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是_反應(yīng)，生成1 mol N

6、H3的熱效應(yīng)數(shù)值為46.1 kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_。 (3)合成氨時(shí)，選擇500 高溫的目的是_ _。,(4)若反應(yīng)容器的體積不變，原反應(yīng)溫度不變,而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍,則上述平衡向_移動(dòng)；若在平衡體系中加入氦氣，則上述平衡_移動(dòng)。,解析：若保持反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度不變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當(dāng)于增大體系的壓強(qiáng)，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，可判斷上述平衡應(yīng)該向正反應(yīng)方向移動(dòng)。若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應(yīng)，由于反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強(qiáng)并未改變反應(yīng)體系的壓強(qiáng)，因此氦氣的加入對(duì)上述平衡沒有影響即

7、化學(xué)平衡不移動(dòng)。,答案：(1)正、逆反應(yīng)速率各反應(yīng)物和生成物的濃度(合理即可)正、逆反應(yīng)動(dòng)態(tài) (2)放熱N2(g)3H2(g) 2NH3(g) H92.2 kJmol1 (3)加快化學(xué)反應(yīng)速率且工業(yè)上用的催化劑在此溫度時(shí)活性最大 (4)正反應(yīng)方向不,探究導(dǎo)引2合成氨的工藝流程是怎樣的？ 提示：,要點(diǎn)歸納 1原料氣的制取 N2：將空氣液化、蒸發(fā)分離出N2或者將空氣中的O2與碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。 H2：來自于含氫的天然氣、煤和煉油產(chǎn)品。以天然氣為原料時(shí)，反應(yīng)可簡單表示為： CH4H2O=CO3H2，COH2O=CO2H2。,2凈化氣體 制得的N2、H2需凈化，除去雜質(zhì)(防止催化劑

8、中毒)，再用壓縮機(jī)壓縮至高壓。 3NH3的合成 在合成塔中進(jìn)行。從塔口進(jìn)氣，經(jīng)熱交換器與塔內(nèi)反應(yīng)后的高溫氣體逆流交換熱量后，進(jìn)入接觸室與鐵接觸反應(yīng)，從塔上口出氣。,4NH3的分離 混合氣經(jīng)冷卻后，進(jìn)入氨分離器，只有氨氣在該壓強(qiáng)下液化得到液氨，而未反應(yīng)的N2和H2經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮后，再通入合成塔中進(jìn)行反應(yīng)。,特別提醒 現(xiàn)代合成氨工業(yè)正向著原料結(jié)構(gòu)更加合理化,生產(chǎn)規(guī)模大型化，開發(fā)低能耗新工藝，以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的方向迅速發(fā)展。,即時(shí)應(yīng)用,反應(yīng)體系中各組分的部分性質(zhì)見下表 回答下列問題： (1)寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K_。隨著溫度升高，K值_(填“增大”、“減小”或“不變”)。,(2)K值

9、越大，表明_(填字母)。 A其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越高 B其他條件相同時(shí)NH3的產(chǎn)率越大 C原料中N2的含量越高 D化學(xué)反應(yīng)速率越快 (3)在工業(yè)上采取氣體循環(huán)的流程，即反應(yīng)后通過把混合氣體的溫度降低到_使_分離出來；繼續(xù)循環(huán)的氣體是_。,(2)K值越大，說明NH3越大，N2和H2就越小，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度大，故其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率就越高，NH3的產(chǎn)率就越大。(3)根據(jù)氣體的熔、沸點(diǎn)可知，氨氣容易液化，使其分離可使平衡正向移動(dòng)，剩余N2和H2循環(huán)使用，以提高產(chǎn)率。,【解析】該反應(yīng)與合成氨的反應(yīng)相似，都是氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，溫度升高有利于加快反應(yīng)速率，但降低了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率,適宜條

10、件的選擇需要綜合考慮。增大壓強(qiáng)有利于加快反應(yīng)速率，同時(shí)也可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但壓強(qiáng)對(duì)SO2的催化氧化的轉(zhuǎn)化率影響不大。 【答案】450 1105 Pa,【名師點(diǎn)睛】理論與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，如何根據(jù)平衡移動(dòng)原理、化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備要求選擇工業(yè)生產(chǎn)的適宜條件，可能是本節(jié)學(xué)習(xí)過程中遇到的主要困難。反應(yīng)速率、移動(dòng)方向和設(shè)備要求有時(shí)是矛盾的，有時(shí)是統(tǒng)一的，最終確定的條件往往是理論與現(xiàn)實(shí)相互作用、共同制約的結(jié)果。,(2)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，混合氣體的體積為716.8 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，其中NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))為25%。計(jì)算平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量。 (3)原混合氣體與平衡混合氣體的總物質(zhì)的量之比n(始)n

11、(平)_(寫出最簡整數(shù)比，下同)。,(4)原混合氣體中，ab_。 (5)達(dá)到平衡時(shí)，N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比(N2)(H2)_。 (6)平衡混合氣體中，n(N2)n(H2)n(NH3)_。,【解析】(1)由反應(yīng)的化學(xué)方程式可知，消耗的N2和生成的NH3的物質(zhì)的量之比為12。即n(N2)6 mol12，得n(N2)3 mol，因開始加入的N2的物質(zhì)的量為 mol，故a31316。,【答案】(1)a16(2)n平(NH3)8 mol(3)54 (4)23(5)12(6)332,經(jīng)典案例科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道：在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑(摻有少量Fe2O3的TiO2)表面與水發(fā)生反應(yīng),生成的主要產(chǎn)物為NH3。進(jìn)一步研究NH3生成量與溫度的關(guān)系，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表(光照、N2壓力1.0105 Pa、反應(yīng)時(shí)間3 h)：,回答下列問題： (1)請(qǐng)以反應(yīng)進(jìn)程為橫坐標(biāo)，能量變化為縱坐標(biāo)，畫出上述反應(yīng)在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應(yīng)過程中體系能量變化示意圖，并進(jìn)行必要標(biāo)注。 (2)與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法中固氮反應(yīng)速率慢。請(qǐng)?zhí)岢隹商岣咂浞磻?yīng)速率且增大NH3生成量的建議：_。,【解析】(1)以反應(yīng)進(jìn)