2018-2019版高中化學 第2章 化學反應的方向、限度與速率 第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課件 魯科版選修4.ppt

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1、第4節(jié) 化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨,第2章 化學反應的方向、限度與速率,[學習目標定位] 1.應用化學反應速率和化學平衡原理,會選擇合成氨的適宜條件。 2.體會應用化學原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。,,,新知導學,達標檢測,內(nèi)容索引,新知導學,,一、合成氨反應的限度、速率,,1.合成氨反應的特點 合成氨反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知298 K時:ΔH=-92.2 kJmol-1,ΔS=-198.2 Jmol-1K-1。 (1)可逆性:反應為 反應。 (2)體積變化:正反應是氣體體積 的反應。 (3)焓變:ΔH 0,熵變ΔS 0。 (4)自發(fā)性:常溫(

2、298 K)下,ΔH-TΔS 0,能自發(fā)進行。,可逆,縮小,<,<,<,2.提高合成氨反應速率和平衡轉(zhuǎn)化率的條件比較,高壓,高溫,使用,高壓,低溫,無影響,高壓,使用,增大,增大,降低,合成氨反應條件和選擇依據(jù) 提高H2轉(zhuǎn)化率的措施有降溫、加壓、增大N2濃度、降低NH3濃度。,解析 要使氫氣的轉(zhuǎn)化率增大,需使平衡向正反應方向移動,根據(jù)合成氨反應的特點,由于正反應為放熱反應,需降低溫度;正反應為氣體總體積減小的反應,需增大壓強;另外還可通過及時分離出部分氨氣,減小生成物濃度的方法,促使平衡右移,故D項正確。,例1 可逆反應3H2(g)+N2(g)2NH3(g) ΔH<0,達到平衡后,為了使

3、H2的轉(zhuǎn)化率增大,下列選項中采用的三種方法都正確的是 A.升高溫度,減小壓強,增加氮氣 B.降低溫度,增大壓強,加入催化劑 C.升高溫度,增大壓強,增加氮氣 D.降低溫度,增大壓強,分離出部分氨,答案,解析,√,解析 對于化學反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化劑只能降低反應的活化能,提高反應速率,縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間,不能使化學平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應速率,縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間,也能使化學平衡向生成NH3的方向移動。,例2 對于合成氨的反應來說,使用催化劑和施加高壓,下列敘述中正確的是 A.都能提高反應速率,都對化學平衡狀態(tài)無影響 B.都對化學平衡狀態(tài)有影響,

4、都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間 C.都能縮短達到平衡狀態(tài)所用的時間,只有壓強對化學平衡狀態(tài)有影響 D.催化劑能縮短反應達到平衡狀態(tài)所用的時間,而壓強無此作用,答案,解析,√,,二、工業(yè)合成氨的適宜條件,,1.工業(yè)合成氨的適宜條件,700 K,鐵觸媒,1∶2.8,氨,2.問題討論 (1)壓強:目前我國合成氨廠一般采用的壓強在1107~1108 Pa,不采用更高壓強的理由是: 、________________ ___________,因此選擇壓強應符合實際科學技術(shù)。 (2)溫度:升高溫度能提高化學反應速率,但工業(yè)合成氨溫度不能太高的理由是 ①

5、 。 ② 。,壓強越大,對設備的要求越高,壓縮H2和N2所需要,的動力越大,合成氨反應為放熱反應,升高溫度,轉(zhuǎn)化率降低,700 K催化劑活性最大,升高溫度,催化劑活性減弱,合成氨反應條件和選擇依據(jù) 工業(yè)生產(chǎn)中,必須從反應限度和反應速率兩個角度選擇合成氨的適宜條件,既要考慮盡量增大反應物的轉(zhuǎn)化率,充分利用原料,又要選擇較快的反應速率,提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量,同時還要考慮設備的要求和技術(shù)條件。,例3 下列有關合成氨工業(yè)的敘述,可用勒夏特列原理來解釋的是 A.使用鐵觸媒,使N2和H2混合氣體有利于合成氨 B.高壓比常壓條件更有利于合成氨的反

6、應 C.500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應 D.合成氨時采用循環(huán)操作,可提高原料的利用率,解析 催化劑不影響平衡移動;合成氨采用500 ℃是綜合考慮反應速率、轉(zhuǎn)化率及催化劑的活性溫度;采用循環(huán)操作與平衡移動無關。,答案,解析,√,知識總結(jié),合成氨反應中,反應物的轉(zhuǎn)化率并不高,如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔起反應是很不經(jīng)濟的,應將分離NH3后的未轉(zhuǎn)化的合成氣進行循環(huán)使用,并及時補充N2和H2,使反應物保持一定的濃度,有利于合成氨反應的進行。,(1)應選擇的溫度是________,理由是_______________________________ _______________

7、____________________。 (2)應采用的壓強是________,理由是______________________________ _________________________________________________________________________。,例4 已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH”或“<”)0。實際生產(chǎn)條件控制在250 ℃、1.3104 kPa左右,選擇此壓強的理由是_________________________________________________ _______________________

8、_______________________________。,答案,解析,<,在250 ℃、1.3104 kPa下,CO的轉(zhuǎn)化率已較高,再增大壓強CO的轉(zhuǎn)化率提高不大,而生產(chǎn)成本增加,經(jīng)濟效益低,解析 從圖像來看,隨著溫度的升高,CO的轉(zhuǎn)化率變小,故ΔH<0,綜合溫度、壓強對CO轉(zhuǎn)化率的影響來看,在壓強1.3104 kPa下,CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大,再增大壓強,CO的轉(zhuǎn)化率提高不大,但對設備和材料的要求越高,需要的動力更大,會增加投資和能量消耗,不經(jīng)濟。,達標檢測,解析 根據(jù)題目要求,既要滿足增大速率,又要滿足使化學平衡向右移動。從反應速率角度分析,①④⑦三種條件下化學反應速率降低;⑥條件下

9、化學反應速率不變。從平衡移動角度分析:②⑤條件下化學平衡向右移動;⑧條件下化學平衡不移動。,1.在合成氨時,要使氨的產(chǎn)率增大,又要使化學反應速率增大,可以采取的措施有 ①增大體積使壓強減小 ②減小體積使壓強增大 ③升高溫度 ④降低溫度 ⑤恒溫恒容,再充入N2和H2 ⑥恒溫恒壓,再充入N2和H2 ⑦及時分離產(chǎn)生的NH3 ⑧使用催化劑 A.②④⑤⑦ B.②③④⑤⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑧,答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,解析 A、B兩項,改變條件平衡均不移動,不能用勒夏特列原理解釋; C項,根據(jù)勒夏特列原理,溫度越低,NH3的轉(zhuǎn)化率越高,采取700 K,主要考慮催化劑的活性和反應速

10、率問題; D項,將混合氣體中的氨液化,相當于減小了生成物的濃度,平衡正向移動,有利于合成氨反應。,2.下列事實能用勒夏特列原理解釋的是 A.使用鐵觸媒,使N2和H2混合氣體有利于合成氨 B.由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深 C.700 K時比室溫更有利于合成氨的反應 D.將混合氣體中的氨液化有利于合成氨反應,答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,3.對于合成氨反應,達到平衡后,以下分析正確的是 A.升高溫度,對正反應的反應速率影響更大 B.增大壓強,對正反應的反應速率影響更大 C.減小反應物濃度,對逆反應的反應速率影響更大 D.加入催化劑,對逆反應的反應速率影

11、響更大,答案,解析,√,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,解析 A項,合成氨反應的正反應是放熱反應,升高溫度,正、逆反應的反應速率都增大,但是溫度對吸熱反應的速率影響更大,所以對該反應來說,對逆反應速率影響更大,錯誤; B項,合成氨的正反應是氣體體積減小的反應,增大壓強,對正反應的反應速率影響更大,正確; C項,減小反應物濃度,使正反應的速率瞬間減小,由于生成物的濃度沒有變化,所以逆反應速率瞬間不變,然后逐漸減小,故減小反應物濃度,對正反應的反應速率影響更大;錯誤; D項,加入催化劑,對正、逆反應的反應速率的影響相同,錯誤。,解析 合成氨時選擇700 K高溫可以加快反應速率,而且

12、工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大;因為初始和轉(zhuǎn)化的N2和H2的濃度比都是1∶3,所以當反應達到平衡時,N2和H2的濃度比是1∶3;平衡時保持體積不變,充入氬氣平衡不移動;保持壓強不變充入氬氣,容器體積變大,反應速率將變小,平衡逆向移動;充入N2并保持體積不變,平衡將正向移動;保持體積不變,升高溫度時,平衡逆向移動,混合氣體的質(zhì)量不變,總物質(zhì)的量變大,平均相對分子質(zhì)量變小,密度不變。,4.在密閉容器中,使1 mol N2和3 mol H2混合發(fā)生下列反應:3H2+N22NH3 ΔHv正,N2+3H22NH3(正反應為放熱反應),故溫度升高,v逆>v正。圖中t3時刻比原來的速率大,而且變化過程中v逆=v正,說明平衡未被打破,所以應該是催化劑導致的。圖中t4時刻的變化,v′逆、v′正都減小且v′逆>v′正,所以不可能是溫度的影響,應該是壓強減小了,使平衡向逆反應方向移動了。,1,2,3,4,5,6,(2)t1、t3、t4時刻,體系中分別是什么條件發(fā)生了改變?____________、____________、__________。 (3)下列時間段中,氨的百分含量最高的是___。 A.0~t1 B.t2~t3 C.t3~t4 D.t5~t6,答案,1,2,3,4,5,6,溫度升高,加入催化劑,壓強減小,A,

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