知識講解-化學反應條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨(提高)(共6頁)

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 化學反應條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨 編稿：宋杰 審稿：張燦麗 【學習目標】 1、能用平衡移動原理（勒夏特列原理）解釋一些生活、生產問題； 2、理解如何應用化學反應速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件； 3、了解合成氨生產的適宜條件和工藝流程。 【要點梳理】 要點一、合成氨反應原理和特點。 1、反應原理：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）。 2、反應特點。 ①可逆反應；②正反應是放熱反應；③正反應是氣體體積縮小的反應；④氨很容易液化。 要點二、合成氨適宜條件的選擇。 1、適宜生產條件選擇的一

2、般原則。 對任一可逆反應，增大反應物濃度，能提高反應速率和轉化率，故生產中常使廉價易得的原料適當過量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮氣與氫氣的配比為1∶2.8。 選擇條件時既要考慮反應的快慢——反應速率越大越好，又要考慮反應進行的程度——使化學平衡盡可能向正反應方向移動，來提高氨在平衡混合物中的體積分數。 2、合成氨條件選擇的依據。 運用化學反應速率和化學平衡原理的有關知識，同時考慮合成氨生產中的動力、材料、設備等因素來選擇合成氨的適宜生產條件。 3、合成氨條件的理論分析（見下表）。 反應條件 對化學反應速率的影響 對平衡混合物中N

3、H3的含量的影響 合成氨條件的選擇 增大壓強 有利于增大化學反應速率 有利于提高平衡混合物中NH3的產量 壓強增大，有利于氨的合成，但需要的動力大，對材料、設備等的要求高，因此，工業(yè)上一般采用20 MPa～30 MPa的壓強 升高溫度 有利于增大化學反應速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 溫度升高，化學反應速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨時溫度要適宜，工業(yè)上一般采用500℃左右的溫度（因該溫度時，催化劑的活性最大） 反應條件 對化學反應速率的影響 對平衡混合物中NH3的含量的影響 合成氨條件的選擇 使用催化劑 有利于增大化學反應速率

4、 沒有影響 催化劑的使用不能使平衡發(fā)生移動，但能縮短反應達到平衡的時間，工業(yè)上一般選用鐵觸媒作催化劑，使反應在盡可能低的溫度下進行 [歸納] 合成氨的適宜條件： （1）溫度：500℃左右； （2）壓強：20 MPa～30 MPa； （3）催化劑：鐵觸媒（500℃時其活性最強）。 除此之外，還應及時將生成的氨分離出來，并不斷地補充原料氣（N2和H2），以有利于合成氨反應。 要點三、合成氨工業(yè)的簡介。 合成氨工業(yè)的簡要流程： 合成氨生產示意圖2-4-1： 1、原料的制取 氮氣：將空氣液化、蒸餾分離出氮氣或者將空氣

5、中的氧氣與碳作用生成CO2，除去CO2后得氮氣。 氫氣：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然氣等）在高溫下制取。主要反應有： C+H2O（g）CO+H2 CO+H2O（g）CO2+H2 CH4+H2O（g）CO+3H2 2CH4+O22CO+4H2 2、制得的氮氣和氫氣需凈化、除雜質，再用壓縮機壓縮至高壓。 3、氨的合成：在適宜的條件下，在合成塔中進行。反應原理為N2+3H22NH3。 4、氨的分離：經冷凝使氨液化，將氨分離出來，提高原料的利用率，并將未反應的氮氣和氫氣循環(huán)送入合成塔，使其充分被利用。 要點詮釋：①循

6、環(huán)操作過程是沒有轉化為生成物的反應物又重新回到反應設備中參加反應的過程。顯然循環(huán)操作過程可以提高反應物的轉化率，使反應物盡可能地轉化為生成物，提高經濟效益。 ②由于存在循環(huán)操作過程，從理論上講，即使是可逆反應，反應物最終全部轉化為生成物。 5、合成氨生產的發(fā)展前景。 合成氨條件的選擇與科技進步、動力、材料、設備等條件的改善緊密相連，并將隨之作相應改變。目前，人們正在研究使合成氨反應在較低溫度下進行的催化劑以及研究化學模擬生物固氮等，以進一步提高合成氨的生產能力。 【典型例題】 類型一、勒夏特列原理及其應用 例1、鉀是一種活潑的金屬，工業(yè)上通常用金屬鈉

7、和氯化鉀在高溫下反應制取。該反應為Na (1)+KCl (1)NaCl (1)+K (g) ΔH＞0，該反應的平衡常數可表示為K=c (K)。各物質的沸點與壓強的關系見下表。 壓強／kPa 13.33 53.32 101.3 K的沸點／℃ 590 710 770 Na的沸點／℃ 700 830 890 KCl的沸點／℃ 1437 NaCl的沸點／℃ 1465 （1）在常壓下金屬鉀轉變?yōu)闅鈶B(tài)，從反應混合物中分離的最低溫度約為________，而反應的最高溫度低于________。 （2）在制取鉀的過程中，為了提高原料的轉化率可

8、以采取的措施是________。 （3）常壓下，當反應溫度升高至900℃時，該反應的平衡常數可表示為K=________。 【思路點撥】本題考查勒夏特列原理的應用，注意只有在涉及到化學平衡的內容時才能用到該原理。 【答案】（1）770℃ 890℃ （2）降低壓強或移去鉀蒸氣，適當升高溫度 （3）c（K）／c（Na） 【解析】要分離K，需K為氣態(tài)，而其他物質為固態(tài)或液態(tài)，所以溫度應該要高于770℃低于890℃，提高原料的轉化率要降低壓強或移去鉀蒸氣，適當升高溫度，使平衡向正方向移動。當升高至900℃時，Na為氣態(tài)，所以K=c（K）／c（Na）

9、。 舉一反三： 【變式1】在硫酸工業(yè)生產過程中，有反應2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）（正反應為放熱反應），根據下表所提供的不同壓強下SO2的轉化率（％）的數據，試選擇該反應的適宜條件（以V2O5作催化劑）。 壓強／Pa 轉化率／% 溫度／℃ 1105 5105 10105 50105 100105 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 【答案】450℃；1105 Pa（常壓）。 【解析】該反應與合成氨的反應相似，都是氣體體積縮小的放熱反應，溫度升高有利

10、于加快反應速率，但降低了反應物的轉化率，適宜條件的選擇需要綜合考慮。增大壓強有利于加快反應速率，同時也可以提高反應物的轉化率，但壓強對SO2的催化氧化的轉化率影響不大。 【變式2】（2015 撫順期末）下列對化學平衡移動的分析中，不正確的是（ ）。 ①已達平衡的的反應C（s）+H2O（g）CO（g）+ H2（g），當增加反應物物質的量時，平衡一定向正反應方向移動 ②已達平衡的反應N2（g）+3H2（g）2NH3（g），當增大N2的濃度時，平衡向正反應方向移動，N2的轉化率一定升高 ③有氣體參加的反應平衡時，若減小反應器容積時，平衡一定向氣體體積增大的方向移動 ④有氣體參加的反

11、應達平衡時，在恒壓反應器中充入稀有氣體，平衡一定不移動 A．①④ B．①②③ C．②③④ D．①②③④ 【答案】D 【解析】①C為固體，增大固體的量，平衡不移動，故①錯誤；②增大N2的物質的量，平衡向正反應方向移動，但轉化的少，增加的多，N2的轉化率減小，故②錯誤；③如氣體反應物與生成物計量數之和相等，則增大壓強平衡不移動，故③錯誤；④在恒壓反應器中充入稀有氣體，如氣體反應物與生成物化學計量數之和相等，則平衡不移動，如反應前后氣體的化學計量數之和不等，則平衡移動，故④錯誤。故選D。 類型二、合成氨工業(yè) 例2、利用天然氣合成氨的工藝流程示意圖如下，依據流程圖，完成

12、下列填空： （1）天然氣脫硫時的化學方程式是________。 （2）n mol CH4經一次轉化后產生CO 0.9n mol、產生H2________mol（用含n的代數式表示）。 （3）K2CO3（aq）和CO2反應在加壓下進行，加壓的理論依據是________。 a．相似相溶原理 b．勒夏特列原理 c．酸堿中和原理 （4）由KHCO3分解得到的CO2可以用于________（寫出CO2的一種重要用途）。 （5）整個流程有三處循環(huán)，一是Fe(OH)3循環(huán)，二是K2CO3（aq）循環(huán)，請在下述流程圖中標出第三處循環(huán)（循環(huán)

13、方向、循環(huán)物質）。 【思路點撥】本題考查天然氣合成氨工業(yè)中的部分具體問題，從另一方面考查化學反應平衡的移動，注意勒夏特列原理的應用。 【答案】（1）3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O （2）2.7n （3）b （4）生產純堿（或做制冷劑等） 【解析】（1）3H2S+2Fe(OH)3==Fe2S3+6H2O。 （2）一次轉化所發(fā)生的反應是：CH4+H2O==CO+3H2，參加反應的CH4為0.9n mol，生成H2為30.9n=2.7n mol。 （3）K2CO3 (aq)+CO2 (g)+H2O (1)==2KHC

14、O3 (aq)，這是氣體體積縮小的反應。根據勒夏特列原理，增大壓強有利于KHCO3的生成。 （5）N2、H2經合成塔合成氨后，還有大量的N2、H2未參加合成，所以除NH3后的N2、H2重新回到合成塔，再進行合成氨反應。 【總結升華】本題利用工業(yè)生產流程圖來考查碳族元素、氮族元素及化學平衡移動原理的知識，題目設計新穎，既有定性簡答，又有定量計算，代表了當前高考命題的趨勢。 舉一反三： 【變式1】下面是合成氨的簡要流程示意圖：沿x路線回去的物質是（ ）。 A．N2和H2 B．催化劑 C．NH3 D．H2 【答案】A 類型三、合成氨的有關

15、計算 例3、（2014 北京海淀二模）合成氨尿素工業(yè)生產過程中涉及到的物質轉化過程如下圖所示。 （1）天然氣在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應生成H2和CO的化學方程式為__________________________。 （2）在合成氨生產中，將生成的氨及時從反應后的氣體中分離出來，運用化學平衡的知識分析這樣做的是否有利于氨的合成，說明理由：_________________________________________。 （3）如圖為合成氨反應在不同溫度和壓強、使用相同催化劑條件下，初始時氮氣、氫氣的體積比為1：3時，平衡混合物中氨的體積分數。 ①若分別用vA（NH3）和vB（NH

16、3）表示從反應開始至達平衡狀態(tài)A、B時的化學反應速率，則vA（NH3）______ vB（NH3）（填“＞”、“＜”或“=”）。 ②在相同溫度、當壓強由p1變?yōu)閜3時，合成氨反應的化學平衡常數______。（填“變大”、“變小”或“不變”）。 ③在250℃、1.0104kPa下，H2的轉化率為______%（計算結果保留小數點后1位）。 （4）NH3（g）與CO2（g）經過兩步反應生成尿素，兩步反應的能量變化示意圖如下： NH3（g）與CO2（g）反應生成尿素的熱化學方程式為______________________________。 （5）運輸氨時，不能使用銅及其合金制造的管道閥門。因為

17、在潮濕的環(huán)境中，金屬銅在有NH3存在時能被空氣中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，該反應的離子方程式為___________________________。 【思路點撥】本題考查制備實驗方案的設計，綜合性較強，題目難度較大，涉及化學平衡及計算、離子反應、氧化還原反應、熱化學反應等高考?？伎键c，注重學生能力的訓練，把握圖像及數據處理即可解答。 【答案】 【解析】（1）甲烷與水蒸氣反應生成一氧化碳和氫氣，該反應為CH4+H2OCO+3H2； （2）減少生成物的濃度，化學平衡正向移動，所以移走氨氣，減小生成物濃度，平衡右移，有利于氨生成，故答案為：移走氨氣，減小生成物濃度，平

18、衡右移，有利于氨生成； （3）①溫度越大，壓強越大，反應速率越大，由圖可知，B對應的溫度、壓強大，則反應速率大； ②化學平衡常數只與溫度有關，顯然溫度不變，則化學平衡常數K不變； ③在250℃、1.0104kPa下，氨氣的體積分數為50%，則 所以=50%，解得x=，則氫氣的轉化率為100%=66.7%； （4）由圖示可知，兩步反應的完成的熱效應與一步完成的熱效應是相同的，將兩個反應相加可得 2NH3（g）+CO2（g）═CO（NH2）2（s）+H2O（l）△H=-134kJ/mol； （5）銅在有NH3存在時能被空氣中的O2氧化，生成Cu（NH3）42+，該離子反應為2Cu+8NH3+O

19、2+2H2O═2Cu（NH3）42++4OH-。 【總結升華】化學來源于生產、生活，又服務于生產、生活。無機化工題實際上是考查考生運用化學反應原理及相關知識來解決工業(yè)生產中實際問題的能力。解此類型題目的基本步驟是：①從題干中獲取有用信息，了解生產的產品。②分析流程中的每一步驟，從幾個方面了解流程：A．反應物是什么，B．發(fā)生了什么反應，C．該反應造成了什么后果，對制造產品有什么作用。抓住一個關鍵點：一切反應或操作都是為獲得產品而服務。③從問題中獲取信息，幫助解題。 了解流程后著手答題。對反應條件的分析可從以下幾個方面著手：對反應速率有何影響？對平衡轉化率有何影響？對綜合生產效益有何影響？如原料成本，原料來源是否廣泛、是否可再生，能源成本，對設備的要求，環(huán)境保護（從綠色化學方面作答）。 舉一反三： 【變式1】將1體積N2和4體積H2放入密閉容器中，測得壓強為3.03105 Pa，達到平衡后測得含NH3 12％，試求： （1）平衡時N2和H2占平衡混合氣體的體積百分比； （2）到達平衡時的壓強。 【答案】（1）平衡時N2占16.4％，H2占71.6％；（2）平衡時壓強為2.71105 Pa。 專心---專注---專業(yè)