教育最新K12学年高中化学第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.docx
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教育最新K12学年高中化学第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
教育最新K122018-2019学年高中化学第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
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
学习目标:
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件。
(重点)2.初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。
(难点)
[自主预习·探新知]
1.合成氨反应的限度
(1)反应原理
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
ΔH=-92.2kJ·mol-1,ΔS=-198.2J·K-1·mol-1。
(2)反应特点:
(3)影响因素
①外界条件:
降低温度、增大压强,有利于化学平衡向合成氨的方向移动。
②投料比:
温度、压强一定时,N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合气中氨的百分含量最高。
微点拨:
合成氨反应中,为了提高原料转化率,常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。
2.合成氨反应的速率
(1)增大合成氨反应速率的方法
(2)浓度与合成氨反应速率之间的关系
在特定条件下,合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3),由速率方程可知:
增大N2或H2的浓度,减小NH3的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。
微点拨:
温度升高k值增加,会加快反应速率;同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能,使合成氨反应的速率提高。
3.合成氨适宜条件的选择
(1)合成氨反应适宜条件分析
工业生产中,必须从反应速率和反应限度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。
(2)合成氨的适宜条件
序号
影响因素
选择条件
1
温度
反应温度控制在700K左右
2
物质的量
N2、H2投料比1∶2.8
3
压强
1×107~1×108Pa
4
催化剂
选择铁作催化剂
[基础自测]
1.判断对错(对的在括号内打“√”,错的在括号内打“×”。
)
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。
( )
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。
( )
(3)合成氨反应中,压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。
( )
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。
( )
[提示]
(1)× 合成氨反应ΔH<0,ΔS<0,ΔH-TΔS在低温小于0。
(2)× 合成氨反应ΔH<0,温度越低越利于平衡正向移动。
(3)√
(4)× 催化剂同倍数的加快正、逆反应速率,对转化率无影响。
2.工业上合成氨一般采用700K左右的温度,其原因是( )
【导学号:
41722116】
①适当提高氨的合成速率 ②提高H2的转化率 ③提高氨的产率 ④催化剂在700K时活性最大
A.只有① B.①②
C.②③④D.①④
D [合成氨反应采用700K左右的温度的原因是考虑反应速率和催化剂的活性。
]
3.利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高N2的转化率所采取的措施是( )
【导学号:
41722117】
A.高温B.高压
C.使用催化剂D.增大N2的浓度
B [合成氨反应是气体系数减小的放热反应,据勒·夏特列原理可知高压利于提高N2的转化率。
]
[合作探究·攻重难]
化学反应条件的优化
在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:
2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH=-198kJ·mol-1。
(已知催化剂是V2O5,在400~500℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
[思考交流]
1.根据化学理论和以上数据综合分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,可控制的条件是什么?
[提示] 常压、450℃、催化剂。
2.在实际生产中,选定400~500℃作为操作温度,其原因是什么?
[提示] 在此温度下催化剂的活性最高。
3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压?
[提示] 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,且采用高压时会增大设备的成本,得不偿失。
4.在生产中,通入过量空气的目的是什么?
[提示] 增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。
5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么?
[提示] 防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。
[对点训练]
题组1 合成氨的适宜条件
1.能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( )
A.升高温度 B.降低压强
C.使用催化剂D.不断移去NH3
D [降温、增压,不断减小生成物的浓度均利于合成氨反应的正向进行。
]
[教师备选]
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
B [对于合成氨反应,增大压强,平衡向气体系数减小的方向移动,即v正>v逆,故B项正确。
]
2.有关合成氨工业的说法中,正确的是( )
A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率
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℃,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2×107~5×107Pa,因为该压强下铁触媒的活性最大
B [A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在500℃的目的是催化剂活性最大;D项,压强采用2×107~5×107Pa是考虑对设备材料的要求。
]
题组2 工业生产中反应条件的选择
[教师备选]
有平衡体系:
CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH<0,为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是( )
A.高温,高压 B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压D.高温,高压,催化剂
B [该反应是一个正向放热,气体体积减小的反应,为增加甲醇的产量,需平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率,设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
]
3.硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。
有关接触氧化反应2SO2+O2
2SO3的说法中正确的是( )
【导学号:
41722118】
A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3
B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零
C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
D [反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡向正方向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错;D正确。
]
4.某工业生产中发生反应:
2A(g)+B(g)
2M(g) ΔH<0。
下列有关该工业生产的说法正确的是( )
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
D [工业上合成M可能采用常压,如H2SO4工业中SO3的生成;加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低;温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低;使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率。
]
工业生产中选择适宜生产条件的原则
外界条件
有利于加快速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
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
ΔH<0
低温
兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0
高温
在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强
高压(有气体参加)
Δνg
<0
高压
在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
Δνg
>0
低压
兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
[当堂达标·固双基]
1.NH3是一种重要的工业原料。
下列关于合成氨的说法中,不正确的是( )
A.工艺涉及催化技术
B.工艺涉及高温高压技术
C.原料之一的氮气来自空气
D.从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为100%
D [合成氨反应为可逆反应,N2和H2的转化率小于100%,则从合成塔出来的气体中,氨气的体积分数小于100%。
]
2.在一定条件下,可逆反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是( )
A.加催化剂,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)减小的倍数小于v(逆)减小的倍数
D.等容条件下加入氩气,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
D [等容条件下加入氩气,反应物和生成物浓度均不变,则v(正)、v(逆)均不发生变化,且v(正)=v(逆)。
]
3.对于合成氨反应N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0,下列研究结果和图示相符的是( )
A
B
C
D
研究结果
压强对反应的影响
温度对反应的影响
平衡体系增加N2对反应的影响
催化剂对反应的影响
图
示
C [A项由于p1条件先达到平衡,故p1>p2,由p1→p2,减小压强,化学平衡左移,NH3的体积分数应降低,故错误;B项由于此反应ΔH<0,故升温平衡左移,N2的转化率降低,故错误;C项增大N2的量,会使正反应速率增大,使化学平衡右移,故正确;D项使用催化剂,能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,故错误。
]
4.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。
工业合成氨生产示意图如图所示。
【导学号:
41722119】
(1)X的化学式为________。
(2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。
A.温度、压强对化学平衡的影响
B.铁触媒在该温度时活性大
C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制
(3)改变反应条件,会使平衡发生移动。
如图表示随条件改变,氨气的百分含量的变化趋势。
当横坐标为压强时,变化趋势正确的是________,当横坐标为温度时,变化趋势正确的是______(填字母编号)。
[解析]
(1)原料气N2和H2经一定条件下的反应,生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来,同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。
(2)中A温度选择在500℃并不是从化学平衡的影响分析的,而是因为催化剂在此温度时活性大,而且还可以适当提高化学反应速率,压强选择20MPa~50MPa是从化学平衡理论分析的压强越大,平衡向生成NH3的方向移动,但不能过大,因为压强过大,对设备、材料的要求高,投资大,这样就不经济。
(3)中考查压强、温度对化学平衡的影响。
[答案]
(1)NH3
(2)BC (3)c a
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- 教育 最新 K12 学年 高中化学 化学反应 方向 限度 速率 条件 优化 工业
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