江苏省邳州市第二中学高三化学《化学反应条件的优化 工业合成氨》复习教案3.docx

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江苏省邳州市第二中学高三化学《化学反应条件的优化工业合成氨》复习教案3

江苏省邳州市第二中学高三化学《化学反应条件的优化工业合成氨》复习教案3

知识与技能：

１.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；

２.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；

３通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。

过程与方法：

在化学反应的方向、限度、速率等理论为指导的基础上带领学生选择适宜的反应条件，引导学生考虑合成氨生产中动力、设备、材料生产效率等因素，寻找工业合成氨生产的最佳条件。

情感态度与价值观：

认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。

教学重难点：

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。

课型：

新课

课时安排：

１课时

教学过程：

【提问】影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些？

【学生】回答

【注意】催化剂只能改变化学反应速率，不能改变化学平衡状态。

【教师】今天这节课我们就看看如何利用化学反应的有关知识

将一个化学反应实现工业化，我们以工业合成氨为例。

首先我们看看合成氨的有关背景。

【投影】展示弗里茨·哈伯的图像

【投影】弗里茨·哈伯与合成氨

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。

德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。

鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。

【投影并讲解】

【交流·研讨】P65

合成氨反应是一个可逆反应:

N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）

已知298K时:

△H=-92.2KJ·mol—1，△S=-198.2J·K—1·mol—1

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4.1×106（mol·L—1）—2

【学生】假设△H和△S不随温度变化，算得T<465.2K。

【提问】观察合成氨的化学反应，说明合成反应的特点：

【投影】N2

（g）+3H2（g）

2NH3（g）△H＝-92.2kJ/mol

（1体积）（3体积）（2体积）

【学生】①可逆反应②熵减小的反应③正反应气态物质系数减小④正反应是放热反应

【板书】第四节　　化学反应条件的优化

——工业合成氨

一、合成氨反应的限度

【交流·研讨】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨

的合成。

P65

【投影】

【学生回答】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。

【板书】二、合成氨反应的速率

【交流·研讨】P66

1、你认为可

以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？

2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:

ν=κC（N2）C1.5（H2）C—1（NH3），请你根据关系式分析：

各物质的浓度对反应速率有哪些影响？

可以采取哪些措施来提高反应速率？

3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：

条件

△E/KJ/mol

k（催）/k（无）

无催化剂

335

3.4×1012（700k）

使用Fe催化剂

167

催化剂对合成氨反应速率的影响

【学生回答】

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。

【板书】三、合成氨的适宜条件

【投影】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

【交流·研讨】

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？

①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。

②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？

①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。

②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。

③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。

【投影】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

【板书】合成氨的方程

式（注意条件）

【小结】

【教师小结】

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。

【教师】我国合成氨工业的发展情况：

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；

1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；

2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。

拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家。

【投影】合成氨的工业前景

1、催化剂

合成氨的铁催化剂

这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分，并掺加各种促进剂和载体的催化剂.

促进剂：

稀土金属及其氧化物

关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研究。

国外也报道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究结果，

发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的促进剂。

我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因此，以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。

合成氨的钌催化剂

合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不是很高。

而合成氨的钌催化剂可能是一种较好的催化剂。

它在低温低压下活性很高，常压下比合成氨的铁催化剂的活性高10—20倍，且对水、CO和CO2不敏感，但合成氨的钌催化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得优越。

2.化学模拟生物固氮

现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。

固氮酶由两种蛋白质组成。

一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。

已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。

3.超声波固氮：

氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化学反应。

在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物质，

这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的途径。

【迁移应用】P70、2

工业制造硫酸的主要反应为:

2SO2（g）+O2（g）===2SO3（g）△H=-197.8

KJ/mol①

SO3（g）+H2O（l）===H2SO4（aq）②

反应①的平衡常数K随温度升高而减小.

所用催化剂的主要成分为V2O5（6％-12％）、K2SO4（17％-20％）、SiO2（50％-70％）,能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等.

请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件（温度、压强、原料气配比等）对工业生产硫酸的影响.

【投影材料】已知2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）△H＜0其实验数据见表

（1）应选用的温度是450℃。

（2）应采用的压强是常压，理由是因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。

（3）在生产中，通入过量空气的目是。

（4）原料气必需净化的原因是。

（5）尾气中有SO2必须回收是为了。

【主板书】

第四节　　化学反应条件的优化——工业合成氨

一、合成氨反应的限度

二、合成氨反应的速率

ν=κC（N2）C1.5（H2）C—1（NH3）

三、合成氨的适宜条件

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。

（第二课时）

【题１】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（B）

①高温　　②低温　　③低压　　④高压　　⑤催化剂　　⑥加氨　　⑦除氨

A.②④⑤B.②④⑦C.①④⑤D.②③⑥

【解析】合成氨工业利用N2＋3H2

2NH3ΔH<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②④⑦。

【题２】在一定条件下，可逆反应N2＋3H2

2NH3ΔH<0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（CD）

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ΔH<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。

【题３】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H

2O（g）

CO2＋H2　ΔH<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）

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。

CO＋H2O（g）

CO2＋H2　ΔH<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。

【题４】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）

A.10%　　B.20%　　C.15%　D.30%

【解析】3H2＋N2

2NH3

起始量　　　３　　　１1　　　　

转化量　　3xx2x

平衡量　　３－３x1－x2x

（３－x）：

（1－x）：

2x＝9：

3：

4故x=0.1

所以N2的转化率为

【题５】在一定条件下，2NH3

3H2＋N2，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（B）

A.１：

１　　　　　　B.２：

３　　　　　　C.３：

２　　　　　　D.２：

１

【

解析】　　　2NH3

3H2＋N2

起始量　　x0

0

转化量　50%x0.75x0.25x

平衡量0.5x0.75x0.25x

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

。

【题６】在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N2＋3H2

2NH3ΔH<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２倍，则下列说法中正确的是（BD）

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２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。

【题７】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（B）

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V－0.95V

　　　N2　　＋　　3H2　　

　　2NH3ΔV

1322

转化中　　　0.025V0.075V0.05VV－0.95V

所以N2的转化率为

【题８】工业合成氨反应是700K左右进行的，这主要原因是（D）

A.700K时此反应速率最快　　　　B.700K时氨的平衡浓度最大

C.700K时氨的转化率最高　　　　D.700K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；N2＋3H2

2NH3ΔH<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９】有关合成氨工业的说法中，正确的是（B）

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20～50Mpa，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。

【题10】一密封体系中发生反应：

N2＋3H2

2NH3（正反应为放热反应）下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：

回答下列问题：

（１）处于平衡状态的时间段是　　　　　　　。

（２）t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？

（３）下列时间段中，氨的百分含量最高的是（）

A.０～t1B.t2～t3C.t3～t4

D.t5～t6

【解析】本题主要是要学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在这条件反应已经达到平衡了。

所以处于平衡状态的时间段是０－t1，t2－t3，t3－t4，t5－t6。

从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v（逆）>v（正），N2＋3H2

2NH3（正反应为放热反应）故温度升高，v（逆）>v（正）。

图中t3时刻从原来的速率增大，而且变化过程中v（逆）＝v（正），说明平衡都未被打破。

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，应该是浓度的影响，而且是浓度减小的变化，所以是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。

（第三课时）

【题1】在一定条件下将含1molNH3的体积不变的密闭容器加热，发生反应2NH3

3H2＋N2，一段时间后达到平衡，此时NH3的体积分数为　x%，若在容器中再加入1molNH3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡，设此时NH3的体积分数为y%，则x和y的关系正确的是（A）

A.xy　　　C.x＝y

　　D.x≥y

【解析】体积不变的密闭容器，多加NH3后相当于加压，使平衡向气体体积系数缩小的方向移动，所以NH3的体积分数会大一点，即有.x

【题２】将V1L的H2和V2L的N2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V3L（气体体积均在相同条件下测定），则生成NH3的体积是（A）

A.（V1＋V2－V3）L　B.（V1＋V2＋V3）L　

C.（V1＋V2－2V3）LD.[V3－（V1＋V2）]L

【解析】N2＋3H2

2NH3ΔV

1322

（V1＋V2－V3）L

根据比例即可得到答案。

【题3】根据下列叙述，完成（１）～（３）题。

工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种来源是取自石油气，例如丙烷。

（１）有人设计了以下反应途径，假设反应都能进行，你认为最合理的是（C）

A.C3H8C＋H2

B.C3H8C3H6＋H2

C.C3H8＋

H2OCO＋H2，CO＋H2O===CO2＋H2

D.C3H8＋O2===CO2　＋　H2O,，H2O　　　　　　　H2↑＋O2↑

（２）按以上最合理的反应途径，理论上用1mol丙烷最多可制得氨气（B）

A.4molB.6.7molC.10molD.2.7mol

（３）该合理反应途径最显著的优点是（C）

A.简单易行　B.制

得的H2纯度高　C.制得的H2产量高　D.可同时获得大量热能

【解析】

（1）从产量、能源等角度进行考虑。

（２）C3H8＋3H2O3CO＋7H2，CO＋H2O===CO2＋H2

1mol3mol7mol3mol3mol

1molC3H8可生成10molH2

N2＋3H2

2NH3

32

10mol（6.7mol）

【题4】把氮气和氢气按１：

１的物质的量比混匀后分成四等份，分别同时充入A、B、C、D四个装有催化剂的真空容器中（容器的容积固定），在保持相同温度的条件下，四个容器中的合成氨反应达到化学平衡状态。

分析下表中实验数据回答问题（用A、B、C、D填空）。

容器代号

A

B

C

D

平衡时混合物的平均相对分子质量

16

17

平衡时氮气的转化率

20%

平衡时氢气的转化率

30%

（1）都达到平衡时，　　　　容器中氨气的物质的量最大。

（2）达到平衡时所需时间最长的容器是　　　　　　　　　　。

（3）四个容器由小到大的排列顺序是　　　　　　　　　　　　。

【解析】设氮气和氢气均为１mol

　　　N2＋3H2

2NH3

起始量　1mol　1mol0

A.平衡　　　　0.8mol0.4mol

B平衡　　　　　　　　　　0.7mol

0.2mol

１６＝

　　n1=

17=

n1=

　N2＋3H2

2NH3Δn

1322

2—15/8　C平衡

2－30/17　　　D平衡

【题5】.向体积不变的密闭容器中充入2molN2和6molH2，一定条件下发生反应：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），平衡时混合气共7mol。

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a＝0，b＝0，则c＝；

（2）若a＝0.7，b＝2.1，则：

①c＝　　　　　　　　　

②这时反应向　　　　进行；　　

③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（２）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１　２mol6mol0mol

起始２　０mol0molcmol

转化　0.5cmol1.5cmolcmol

极限　0.5cmol1.5cmol0mol

0.5cmol＝２molc＝4

（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。

①

N2（g）＋

3H2（g）

2NH3（g）

起始　２　　　　　６　　　　　　　０

条件　0.72.1c

0.7＋0.5c＝２　　　　c＝2.6

②题设条件平衡时共7mol气体，而

（2）小题起始量才5.4mol（0.7mol＋2.1mol＋2.6mol），所以起始反应向逆反应方向进行。

③从三个极限起始量考虑，即N2转化率等于0时，2molN2、6molH2、n（NH3）＝０；N2转化率等于100%时，n（N2）＝０、n（H2）＝０、n（NH3）＝4mol；现求平衡时各成分的物质的量，设平衡时N2转化了xmol，

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）

２　　　　　６　　　　　　　０

x3x2x

2－x6－3x2x

依题意：

（2－x）＋（6－3x）＋2x＝7，x＝0.5所以平衡时，n（N2）