1、第四节 化学反应的调控 目标导航 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的选择合成氨的 适宜条件。适宜条件。 2.初步掌握应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法初步掌握应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法,培培 养科学态度与社会责任等方面的学科核心素养。养科学态度与社会责任等方面的学科核心素养。 向空气要面包向空气要面包 合成氨中的化学问题合成氨中的化学问题 工业合成氨的原理是工业合成氨的原理是N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.4 kJ mol-1,从速率角度分析从速率角度分析,反应需要在反应需要在 (填填“较高较
2、高”或或 “较低”“较低”温度下进行温度下进行,而从提高反应物转化率的角度分析而从提高反应物转化率的角度分析,反应需反应需 要要在在 (从压强和温度方面回答从压强和温度方面回答)条件下进行条件下进行,原因原因 是合成氨的反应为是合成氨的反应为 。 较高较高 低温、高压低温、高压 正反应为气体体积减小的放热反应正反应为气体体积减小的放热反应 新课讲授 一、合成氨反应条件的原理分析一、合成氨反应条件的原理分析 1.反应原理反应原理:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.2 kJ mol-1。 2.反应特点反应特点: 合成氨合成氨 反应反应 可逆性可逆性:反应为反应为 反应反应 体积
3、变化体积变化:正反应是气体体积正反应是气体体积 的反应的反应 焓变焓变:H 0 可逆可逆 减小减小 3.影响因影响因素素: (1)增大合成氨反应速率的措施增大合成氨反应速率的措施:升高升高温度温度、增大压强、增大反应物浓、增大压强、增大反应物浓 度、使用催化剂等度、使用催化剂等。 (2)提高平衡混合气体中氨的含量措施提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强、增大反降低温度、增大压强、增大反 应物浓度等应物浓度等。 二、实际合成氨工业中选择的生产条件二、实际合成氨工业中选择的生产条件 1.压强压强:合成氨厂一般采用的压强为合成氨厂一般采用的压强为 。 【微思考【微思考1】合成氨时压强越
4、大越好】合成氨时压强越大越好,为何不采用比为何不采用比30 MPa更大的压强更大的压强? 10 MPa30 Mpa 提示提示：压强压强越越大大，对对材料的强度和设备的制造要求也越材料的强度和设备的制造要求也越高高，需要的需要的 动力也动力也越越大大，这会这会加大生产加大生产投资投资，可能可能降低综合经济效益。降低综合经济效益。 2.温度温度:一般采用的温度为一般采用的温度为400500 。 【微思考【微思考2】合成氨采用低温时可提高转化率】合成氨采用低温时可提高转化率,但为何未采用更但为何未采用更低低 的的温度温度? 提示提示:温度太低温度太低,反应速率太小反应速率太小,达到平衡所需的时间变长
5、达到平衡所需的时间变长,不经济不经济。 另外另外,合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 左右活性最大。左右活性最大。 3.催化剂催化剂：合成氨合成氨工业普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂工业普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂, 又又称铁触媒。称铁触媒。 【微思考【微思考3】合成氨工业采用迅速冷却法】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后使气态氨变为液氨后及及 时时从混合物中分离出去的目的是什么从混合物中分离出去的目的是什么? 提示提示：使使化学平衡向生成氨的方向移动。化学平衡向生成氨的方向移动。 小试牛刀：小试牛刀： (1)合成氨反应在高温下能自发进
6、行。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。温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 ( ) (3)合成氨反应中合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移移 动动。 ( ) (4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 ( ) 答案答案：(1) (2) (3) (4) 2SO3(g) H=-198 kJ mol-1。(已知催化剂是已知催化剂是V2O5,在在400500时时 催化催化效果最好效果最好)下表为不同温度和压强下下表为不同温度和压强下SO2的转化率的转化
7、率(%): 重难点探究 化工生产反应条件的优化与选择 问题探究问题探究 在在硫酸工业中硫酸工业中,通过下列反应使通过下列反应使SO2氧化成氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g) 压强压强 转化率转化率 温度温度 1105 Pa 1106 Pa 5106 Pa 1107 Pa 450 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% 1.根据化学理论和以上数据综合分析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为了使二氧化硫尽可能转转 化为化为三氧化硫三氧化硫,可控制的条件是什么可控制的条件是什么? 2.在实际生产中在实际生产中,选
8、定选定400500 作为操作温度作为操作温度,其原因是什么其原因是什么? 提示提示:常压、常压、450 、催化剂。、催化剂。 提示提示:兼顾速率和平衡兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。且在此温度下催化剂的活性最高。 3.根据上表中的数据分析根据上表中的数据分析,制取制取SO3时为什么不采用高压时为什么不采用高压? 4.在生产中在生产中,通入过量空气的目的是什么通入过量空气的目的是什么? 5.尾气中的尾气中的SO2必须回收的目的是什么必须回收的目的是什么? 提示提示:在常压下在常压下SO2的转化率就已经很高了的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压若采用高压, 平衡平衡能向右移
9、动能向右移动,但效果并不明显但效果并不明显,且采用高压时会增大设备的且采用高压时会增大设备的成成 本本,得不偿失。得不偿失。 提示提示:增大反应物增大反应物O2的浓度的浓度,提高提高SO2的转化率。的转化率。 提示提示:防止污染环境防止污染环境;循环利用循环利用,提高原料的利用率。提高原料的利用率。 深化拓展深化拓展 工业生产中选择适宜生产条件的原则工业生产中选择适宜生产条件的原则 外界外界 条件条件 有利于增大有利于增大 反应速率的反应速率的 条件控制条件控制 有利于平衡正向移有利于平衡正向移 动的条件控制动的条件控制 综合分析结果综合分析结果 浓度浓度 增大反应物增大反应物 的浓度的浓度
10、增大反应物的浓度、增大反应物的浓度、 减小生成物的浓度减小生成物的浓度 不断地补充反应物、不断地补充反应物、 及时地分离出生成物及时地分离出生成物 催化催化 剂剂 加合适的催加合适的催 化剂化剂 不需要不需要 加合适的催化剂加合适的催化剂 外界外界 条件条件 有利于增大反有利于增大反 应速率的条件应速率的条件 控制控制 有利于平衡正向移动的条件有利于平衡正向移动的条件 控制控制 综合分析结果综合分析结果 温度温度 高温高温 H0 高温高温 在设备条件允许的前在设备条件允许的前 提下提下,尽量采取高温并尽量采取高温并 考虑催化剂的活性考虑催化剂的活性 压强压强 高压高压(有有 气体气体 参加参加
11、) 反应后气体体积减小反应后气体体积减小 的反应的反应 高压高压 在设备条件允许的前在设备条件允许的前 提下提下,尽量采取高压尽量采取高压 反应后气体体积增大反应后气体体积增大 的反应的反应 低压低压 兼顾速率和平衡兼顾速率和平衡,选取选取 适宜的压强适宜的压强 典例分析：典例分析：有关有关合成氨工业的说法中合成氨工业的说法中,正确的是正确的是( ) A.增大增大H2的浓度的浓度,可提高可提高H2的转化率的转化率 B.由于氨易液化由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用在实际生产中会循环使用,所以总体来说氨的产率很高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合成氨工业的反应
12、温度控制在400500 ,目的是使化学平衡向正反应方向移动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合成氨厂采用的压强是10 MPa30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大因为该压强下铁触媒的活性最大 答案答案:B 解析解析:A项项,增大增大H2的浓度的浓度,H2的转化率减小的转化率减小;C项项,温度控制在温度控制在400500 主要是主要是为了为了 兼顾兼顾速率与平衡速率与平衡,且且500 时催化剂活性最大时催化剂活性最大;D项项,压强采用压强采用10 MPa30 MPa主要主要 是考虑是考虑对设备材料的要求。对设备材料的要求。 变式训练变式训练1：硫酸硫酸是一种重要的化工
13、产品是一种重要的化工产品,目前主要采用目前主要采用“接触法接触法”进行进行生产生产。 有关有关接触氧化反应接触氧化反应2SO2+O2 2SO3的说法中正确的的说法中正确的是是( ) A.只要选择适宜的条件只要选择适宜的条件,SO2和和O2就能全部转化为就能全部转化为SO3 B.该反应达到平衡后该反应达到平衡后,反应就完全停止了反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零即正、逆反应速率均为零 C.在达到平衡的体系中在达到平衡的体系中,充入由充入由18O原子组成的原子组成的O2后后,SO2中中18O含量含量减少减少,SO3中中 18O含量增多 含量增多 D.在工业合成在工业合成SO3时时,要同时考虑
14、反应速率和反应能达到的限度两要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的方面的问题问题 解析解析:该反应为可逆反应该反应为可逆反应,SO2和和O2不能全部转化为不能全部转化为SO3,A错错;达到平衡后反应不停达到平衡后反应不停 止止,正、逆反应速率相等正、逆反应速率相等,B错错;达到平衡后充入由达到平衡后充入由18O原子组成的原子组成的O2,平衡正向移平衡正向移 动动,SO3中中18O含量增多含量增多,因为反应可逆因为反应可逆,SO2中中18O含量也增多含量也增多,C错。错。 D 变式训练变式训练2：有有平衡体系平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) H0。为了增加。为了增加甲甲
15、 醇醇(CH3OH)的产量的产量,应采取的正确措施是应采取的正确措施是( ) A.高温高温,高压高压 B.适宜温度适宜温度,高压高压,催化剂催化剂 C.低温低温,低压低压 D.高温高温,高压高压,催化剂催化剂 解析解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量为增加甲醇的产量,需使平衡正向需使平衡正向 移动移动,理论上可采用低温、高压的方式理论上可采用低温、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。承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。 B 知识小结 1.工业上合成氨
16、一般采用工业上合成氨一般采用400500 的温度的温度,其原因是其原因是 ( ) 适当提高氨的合成速率适当提高氨的合成速率 提高提高H2的转化率的转化率 提高氨的产提高氨的产 率率 催化剂在催化剂在500 左右活性最大左右活性最大 A.只有只有 B.只有只有 C. D.只有只有 D 随堂检测 2.利用原料气在合成塔中合成利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高为提高N2的转化率所采取的的转化率所采取的 措施是措施是( ) A.高温高温 B.高压高压 C.使用催化剂使用催化剂 D.增大增大N2的浓度的浓度 B 解析解析:合成氨反应是气体体积减小的放热反应合成氨反应是气体体积减小的放热反应,据勒夏特
17、列原理可据勒夏特列原理可 知知,高压利于提高高压利于提高N2的转化率。的转化率。 3.NH3是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中,不正确不正确 的是的是( ) A.工艺涉及催化技术工艺涉及催化技术 B.工艺涉及高温高压技术工艺涉及高温高压技术 C.原料之一的氮气来自空气原料之一的氮气来自空气 D.从合成塔出来的气体中从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为氨的体积分数为100% D 解析解析:合成氨反应为可逆反应合成氨反应为可逆反应,N2和和H2的转化率小于的转化率小于100%,则从合成则从合成 塔出来的气体中塔出来的气体中,氨气的体积分数小于氨
18、气的体积分数小于100%。 4.在一定条件下在一定条件下,可逆反应可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反应是放热反正反应是放热反 应应)达到平衡达到平衡,当单独改变下列条件后当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是有关叙述错误的是( ) A.加催化剂加催化剂,v(正正)、v(逆逆)都发生变化且变化的倍数相等都发生变化且变化的倍数相等 B.加压加压,v(正正)、v(逆逆)都增大都增大,且且v(正正)增大的倍数大于增大的倍数大于v(逆逆)增大的倍数增大的倍数 C.降温降温,v(正正)、v(逆逆)都减小都减小,且且v(正正)减小的倍数小于减小的倍数小于v(逆逆)减小的倍数减小的倍数 D
19、.等容条件下加入氩气等容条件下加入氩气,v(正正)、v(逆逆)都增大都增大,且且v(正正)增大的倍数大于增大的倍数大于 v(逆逆)增大的倍数增大的倍数 D 解析解析:等容条件下加入氩气等容条件下加入氩气,反应物和生成物浓度均不变反应物和生成物浓度均不变,则则v(正正)、v(逆逆) 均不发生变化均不发生变化,且且v(正正)=v(逆逆)。 5.某工业生产中发生反应某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) 2M(g) H0。下列有关该工。下列有关该工 业生产的说法正确的是业生产的说法正确的是( ) A.工业上合成工业上合成M时时,一定采用高压条件一定采用高压条件,因为高压有利于因为高压有利于M的生
20、成的生成 B.若物质若物质B价廉易得价廉易得,工业上一般采用加入过量的工业上一般采用加入过量的B以提高以提高A和和B的转化率的转化率 C.工业上一般采用较高温度合成工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高因温度越高,反应物的转化率越高反应物的转化率越高 D.工业生产中常采用催化剂工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高因为生产中使用催化剂可提高M的日产量的日产量 D 解析解析:工业上合成工业上合成M可能采用常压可能采用常压,如如H2SO4工业中工业中SO3的生成的生成;加入过量加入过量B只只 能提高能提高A的转化率的转化率,B的转化率降低的转化率降低;温度升高温度升高,平衡逆向移动平衡逆向移动,反应物的转化率反应物的转化率 降低降低;使用催化剂可降低反应的活化能使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率。提高反应速率。