1、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)3H 2(g) 2NH3(g) H92.2 kJmol 1 ， S198.2 JK 1 mol1 。(2)反应特点：(3)影响因素外界条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。投料比：温度、压强一定时，N 2、H 2的体积比为 13 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 N
2、2、H 2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)c1 (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
3、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 700 K 左右2 物质的量 N2、H 2投料比 12.83 压强 1107110 8 Pa4 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 H0， S0， H T S 在低温
4、小于 0。(2) 合成氨反应 H0，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 700 K 左右的温度，其原因是( ) 适当提高氨的合成速率 提高 H2的转化率 提高氨的产率 催化剂在 700 K时活性最大A只有 BC DD 合成氨反应采用 700 K 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( ) 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
5、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)O 2(g) 2SO3(g) H198 kJmol1 。(已知催化剂是 V2O5，在催 化 剂 400500 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 400500 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%)
6、，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 NH3D 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
7、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，N 2、H 2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 2107510 7Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大B A 项，增大 H2的浓度，H 2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
8、 2107510 7Pa 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)2H 2(g) CH3OH(g) H0，为了增加甲醇(CH 3OH)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 2SO2O 2 2SO3的说法中正确的是( ) 催
9、化 剂 A只要选择适宜的条件，SO 2和 O2就能全部转化为 SO3B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，SO 2中 18O 含量减少，SO 3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，SO 2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，SO 2中 18O 含量也增多，C 错；D 正确。4某工业生产中
10、发生反应：2A(g)B(g) 2M(g) H0。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
11、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 H0 低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度温度 高温 H0 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 g0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压压强 高压(有气体参加) g0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强当 堂 达 标固 双 基1NH 3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
12、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，N 2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：N 2(g)3H 2(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
13、，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)3H 2(g) 2NH3(g) H0，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 H0，故升温平衡左移，N 2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
14、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。(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 20 MPa50 MPa 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)NH 3 (2)BC (3) c a