高中魯科版化學(xué)2.4 《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》課件選修4

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歡迎進(jìn)入化學(xué)課堂 第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化 工業(yè)合成氨 1 認(rèn)識(shí)合成氨的化學(xué)原理 2 應(yīng)用化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識(shí)選擇合成氨的條件 3 了解合成氨生產(chǎn)的主要流程 4 了解工業(yè)條件選擇的依據(jù)和原則 課程標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航 2 化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)該反應(yīng)是一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的 熱的 氣體體積 的可逆反應(yīng) 2 合成氨反應(yīng)的限度分析 溫度 壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng) 在一定溫度 壓強(qiáng)下 反應(yīng)物氮?dú)?氫氣的體積比為 時(shí) 平衡混合物中氨的含量最高 放 減小 降低 增大 1 3 二 合成氨反應(yīng)的速率增大 使用合理 升高 均可增大合成氨反應(yīng)的反應(yīng)速率 反應(yīng)物濃度 催化劑 溫度 三 合成氨的適宜條件1 合成氨反應(yīng)條件的選擇原則 1 盡量增大反應(yīng)物的 充分利用原料 2 選擇較快的 提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量 3 考慮設(shè)備和技術(shù)條件 轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)速率 2 合成氨反應(yīng)的適宜條件 1 壓強(qiáng)壓強(qiáng)越大越有利于合成氨 但在實(shí)際生產(chǎn)中 應(yīng)根據(jù)反應(yīng)設(shè)備可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng) 大致分為 和 三種類型 低壓 中壓 高壓 2 溫度溫度越高 反應(yīng)速率 但不利于氨的合成 在實(shí)際生產(chǎn)中一般控制反應(yīng)溫度在 K左右 且在此溫度時(shí)催化劑的活性 3 催化劑使用催化劑可以大幅度提高反應(yīng)速率 合成氨生產(chǎn)一般選擇 做催化劑 越大 700 最大 鐵 4 濃度合成氨生產(chǎn)通常采用N2和H2物質(zhì)的量之比為1 2 8的投料比 及時(shí)將氨氣從反應(yīng)混合物中分離出去 此外 還應(yīng)考慮原料的 未轉(zhuǎn)化的合成氣的 使用 的綜合利用等問(wèn)題 價(jià)格 循環(huán) 反應(yīng)熱 1 從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面考慮 合成氨應(yīng)采用的條件是 A 低溫 高壓 催化劑B 低溫 低壓 催化劑C 高溫 高壓 催化劑D 適當(dāng)溫度 低壓 催化劑 解析 選C 根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn) 外界條件對(duì)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響及催化劑的活性進(jìn)行選擇 2 合成氨時(shí) 既要使H2的轉(zhuǎn)化率增大 又要使反應(yīng)速率增大 可采取的方法是 A 補(bǔ)充H2B 升高溫度C 增大壓強(qiáng)D 使用催化劑解析 選C 補(bǔ)充H2 使反應(yīng)速率加快 但H2的轉(zhuǎn)化率降低 升溫 反應(yīng)速率加快 平衡左移 H2的轉(zhuǎn)化率降低 增大壓強(qiáng) 反應(yīng)速率加快 平衡右移 H2的轉(zhuǎn)化率提高 催化劑只能加快反應(yīng)速率 而不會(huì)提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 3 在合成氨工業(yè)中 達(dá)到下列目的的變化過(guò)程中與平衡移動(dòng)無(wú)關(guān)的是 為增加NH3的日產(chǎn)量 不斷將NH3分離出來(lái) 為增加NH3的日產(chǎn)量 使用催化劑 為增加NH3的日產(chǎn)量而采用1 107Pa 1 108Pa的壓強(qiáng) 為增加NH3的日產(chǎn)量 采用700K左右的高溫 A B C D 解析 選D 中催化劑不能使平衡移動(dòng) 中升高溫度 平衡逆向移動(dòng) 不利于NH3的生成 故選D 探究導(dǎo)引1怎樣考慮合成氨的適宜條件 提示 運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理 同時(shí)考慮合成氨生產(chǎn)中的動(dòng)力 材料 設(shè)備等因素 選擇合成氨的適宜條件 要點(diǎn)歸納1 提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率的措施 2 合成氨反應(yīng)的適宜條件 特別提醒工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化的一般原則工業(yè)生產(chǎn)中既要考慮反應(yīng)速率快 又要考慮原料利用率高 所以在選擇生產(chǎn)條件時(shí) 應(yīng)從這兩方面分析 同時(shí)也要考慮實(shí)際條件的限制 當(dāng)兩者出現(xiàn)矛盾時(shí) 兩者都要兼顧 特別要適應(yīng)催化劑的活性 如合成氨及合成三氧化硫的溫度的選擇 壓強(qiáng)則在條件允許范圍內(nèi)選擇 同時(shí)還可增大廉價(jià)原料的用量 及時(shí)分離出產(chǎn)物 既可以增大反應(yīng)速率 又可提高平衡轉(zhuǎn)化率 即時(shí)應(yīng)用 2 若降低溫度 會(huì)使上述化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng) 則正反應(yīng)是 反應(yīng) 生成1molNH3的熱效應(yīng)數(shù)值為46 1kJ 則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為 3 合成氨時(shí) 選擇500 高溫的目的是 4 若反應(yīng)容器的體積不變 原反應(yīng)溫度不變 而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍 則上述平衡向 移動(dòng) 若在平衡體系中加入氦氣 則上述平衡 移動(dòng) 解析 若保持反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度不變 將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍 其效果相當(dāng)于增大體系的壓強(qiáng) 根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響 可判斷上述平衡應(yīng)該向正反應(yīng)方向移動(dòng) 若在平衡體系中加入氦氣 氦氣不參與反應(yīng) 由于反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度都不變 氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強(qiáng)并未改變反應(yīng)體系的壓強(qiáng) 因此氦氣的加入對(duì)上述平衡沒(méi)有影響即化學(xué)平衡不移動(dòng) 答案 1 正 逆反應(yīng)速率各反應(yīng)物和生成物的濃度 合理即可 正 逆反應(yīng)動(dòng)態(tài) 2 放熱N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92 2kJ mol 1 3 加快化學(xué)反應(yīng)速率且工業(yè)上用的催化劑在此溫度時(shí)活性最大 4 正反應(yīng)方向不 探究導(dǎo)引2合成氨的工藝流程是怎樣的 提示 要點(diǎn)歸納1 原料氣的制取N2 將空氣液化 蒸發(fā)分離出N2或者將空氣中的O2與碳作用生成CO2 除去CO2后得N2 H2 來(lái)自于含氫的天然氣 煤和煉油產(chǎn)品 以天然氣為原料時(shí) 反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為 CH4 H2O CO 3H2 CO H2O CO2 H2 2 凈化氣體制得的N2 H2需凈化 除去雜質(zhì) 防止催化劑中毒 再用壓縮機(jī)壓縮至高壓 3 NH3的合成在合成塔中進(jìn)行 從塔口進(jìn)氣 經(jīng)熱交換器與塔內(nèi)反應(yīng)后的高溫氣體逆流交換熱量后 進(jìn)入接觸室與鐵接觸反應(yīng) 從塔上口出氣 4 NH3的分離混合氣經(jīng)冷卻后 進(jìn)入氨分離器 只有氨氣在該壓強(qiáng)下液化得到液氨 而未反應(yīng)的N2和H2經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮后 再通入合成塔中進(jìn)行反應(yīng) 特別提醒現(xiàn)代合成氨工業(yè)正向著原料結(jié)構(gòu)更加合理化 生產(chǎn)規(guī)模大型化 開發(fā)低能耗新工藝 以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的方向迅速發(fā)展 即時(shí)應(yīng)用 反應(yīng)體系中各組分的部分性質(zhì)見下表回答下列問(wèn)題 1 寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式 K 隨著溫度升高 K值 填 增大 減小 或 不變 2 K值越大 表明 填字母 A 其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越高B 其他條件相同時(shí)NH3的產(chǎn)率越大C 原料中N2的含量越高D 化學(xué)反應(yīng)速率越快 3 在工業(yè)上采取氣體循環(huán)的流程 即反應(yīng)后通過(guò)把混合氣體的溫度降低到 使 分離出來(lái) 繼續(xù)循環(huán)的氣體是 2 K值越大 說(shuō)明 NH3 越大 N2 和 H2 就越小 說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度大 故其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率就越高 NH3的產(chǎn)率就越大 3 根據(jù)氣體的熔 沸點(diǎn)可知 氨氣容易液化 使其分離可使平衡正向移動(dòng) 剩余N2和H2循環(huán)使用 以提高產(chǎn)率 解析 該反應(yīng)與合成氨的反應(yīng)相似 都是氣體體積縮小的放熱反應(yīng) 溫度升高有利于加快反應(yīng)速率 但降低了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 適宜條件的選擇需要綜合考慮 增大壓強(qiáng)有利于加快反應(yīng)速率 同時(shí)也可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 但壓強(qiáng)對(duì)SO2的催化氧化的轉(zhuǎn)化率影響不大 答案 450 1 105Pa 名師點(diǎn)睛 理論與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系 如何根據(jù)平衡移動(dòng)原理 化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備要求選擇工業(yè)生產(chǎn)的適宜條件 可能是本節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的主要困難 反應(yīng)速率 移動(dòng)方向和設(shè)備要求有時(shí)是矛盾的 有時(shí)是統(tǒng)一的 最終確定的條件往往是理論與現(xiàn)實(shí)相互作用 共同制約的結(jié)果 2 反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí) 混合氣體的體積為716 8L 標(biāo)準(zhǔn)狀況下 其中NH3的含量 體積分?jǐn)?shù) 為25 計(jì)算平衡時(shí)NH3的物質(zhì)的量 3 原混合氣體與平衡混合氣體的總物質(zhì)的量之比n 始 n 平 寫出最簡(jiǎn)整數(shù)比 下同 4 原混合氣體中 a b 5 達(dá)到平衡時(shí) N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比 N2 H2 6 平衡混合氣體中 n N2 n H2 n NH3 解析 1 由反應(yīng)的化學(xué)方程式可知 消耗的N2和生成的NH3的物質(zhì)的量之比為1 2 即 n N2 6mol 1 2 得 n N2 3mol 因開始加入的N2的物質(zhì)的量為 mol 故a 3 13 16 答案 1 a 16 2 n平 NH3 8mol 3 5 4 4 2 3 5 1 2 6 3 3 2 經(jīng)典案例 科學(xué)家一直致力于研究常溫 常壓下 人工固氮 的新方法 曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道 在常溫 常壓 光照條件下 N2在催化劑 摻有少量Fe2O3的TiO2 表面與水發(fā)生反應(yīng) 生成的主要產(chǎn)物為NH3 進(jìn)一步研究NH3生成量與溫度的關(guān)系 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表 光照 N2壓力1 0 105Pa 反應(yīng)時(shí)間3h 回答下列問(wèn)題 1 請(qǐng)以反應(yīng)進(jìn)程為橫坐標(biāo) 能量變化為縱坐標(biāo) 畫出上述反應(yīng)在有催化劑與無(wú)催化劑兩種情況下反應(yīng)過(guò)程中體系能量變化示意圖 并進(jìn)行必要標(biāo)注 2 與目前廣泛使用的工業(yè)合成氨方法相比 該方法中固氮反應(yīng)速率慢 請(qǐng)?zhí)岢隹商岣咂浞磻?yīng)速率且增大NH3生成量的建議 解析 1 以反應(yīng)進(jìn)程為橫坐標(biāo) 能量變化為縱坐標(biāo)畫圖 有催化劑時(shí)反應(yīng)進(jìn)行需要的能量低 且反應(yīng)后生成物能量高于反應(yīng)物能量 2 升溫或增大N2濃度均能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 從而提高反應(yīng)速率 增大NH3生成量 另外從體系中不斷移出NH3 也能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 增大NH3生成量 答案 1 2 升高溫度或增大N2濃度或不斷移出生成物 3 66 7 0 005mol2 L 2 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全