第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨 课件（共29张PPT）-高中化学鲁科版选择性必修1

(共29张PPT)
化学反应条件的优化——工业合成氨
第4节
高中化学　鲁科版选择性必修1
1.了解化学反应速率和化学平衡调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
2.通过对工业合成氨生产条件的优化选择，认识化学反应原理在工业生产中的
重要价值。
1.应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。
2.应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选
择与理论分析的差异。
[学习目标]
[重点难点]
合成氨反应的限度与速率
导学
1.合成氨反应的特点
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
可逆
减小
＜
＜
＜
能
2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强 高压 高压 高压
温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂 使用 无影响 使用
研究发现，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
浓度 由反应速率方程可知，增大氮气、氢气的浓度，减小氨气的浓度 增大反应物的浓度，降低反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度
导思
1.判断正误
(1)工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应，在任何温度下都可自发进行
(　　)
(2)合成氨反应是气体体积减小的反应，故实际生产中采用的压强越大越好
(　　)
(3)合成氨工业生产中，N2和H2的转化率相等(　　)
(4)合成氨中在提高反应速率和原料的转化率上对温度的要求是一致的(　　)
(5)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度，可以提高氨气的产率(　　)
×
×
×
×
√
2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？
提示　由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度的措施来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度、使用合适的催化剂等措施来加快反应速率。
1.可逆反应：3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g)　ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是
A.升高温度，减小压强，增加氮气
B.降低温度，增大压强，加入催化剂
C.升高温度，增大压强，增加氮气
D.降低温度，增大压强，分离出部分氨
导练
√
先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的；
合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动。增加反应物(N2)浓度或减小反应产物(NH3)浓度，会使平衡向正反应方向移动，选项D正确；
加入催化剂可提高反应速率，但对平衡移动无影响，选项B错误。
2.在N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1中v＝kc(N2)·c1.5(H2)·
c－1(NH3)，仅从使反应速率加快的角度来考虑，可采取的措施是
①减压　②加压　③升温　④降温　⑤补充N2　⑥加催化剂　⑦减小N2或H2的量
A.③④⑤⑦ B.②④ C.①②⑥ D.②③⑤⑥
√
加压、升温、使用催化剂均可提高反应速率，由反应速率方程可知，增大氮气、氢气的浓度可提高合成氨的反应速率。
合成氨生产的适宜条件
1.合成氨的适宜条件分析
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。
导学
2.工业合成氨的适宜条件
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) 浓度 N2、H2投料比为1∶2.8。氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用
(3) 压强 1×107～1×108 Pa
(4) 催化剂 选择铁做催化剂
3.合成氨的生产流程的三阶段
导思
1.判断正误
(1)充入的N2越多越有利于NH3的合成(　　)
(2)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率
(　　)
(3)在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保(　　)
(4)合成氨反应选择在700 K左右进行的重要原因是催化剂在700 K左右时活性最大(　　)
(5)一个化工生产的过程中只考虑反应的限度问题即可(　　)
×
√
×
√
×
2.合成氨的反应中，为何将氮气、氢气的投料比定为1∶2.8呢？
提示　温度、压强一定时，N2与H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高；根据在特定条件下，v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，提高H2的压强似乎更有利于提高合成氨反应的速率，但是，N2在催化剂上的吸附分解为总反应中最慢的步骤，即这是影响反应速率的关键步骤。实验表明，适当提高N2的比例，当N2与H2的物质的量之比为1∶2.8时更能加快合成氨反应的进行。
1.下列有关合成氨工业的说法正确的是
A.增大H2的浓度，H2的转化率减小
B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的
产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，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10～30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大
导练
√
√
A项，增大H2的浓度，H2的转化率减小；
C项，反应温度控制在400～500 ℃主要是为了兼顾速率与平衡，且500 ℃左右时催化剂活性最大；
D项，压强采用10 MPa～30 MPa主要是考虑对设备材料的要求。
2.合成氨反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，K＝6.6×
105 mol－2·L2。
(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是____________________________________________。
(2)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因是______________________
___________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动，提高反应速率，而实际采用的最高压强为8.5×107～1×108 Pa，不采用更高的压强，其原因是_______________
________________________________________________________。
为了加快化学反应速率，提高单位时间内的产量
温度高于700 K，会使平
衡逆向移动，降低反应物的转化率，温度低于700 K，反应速率小，并且在此温度时，催化剂的活性最大，有利于提高单位时间内的产量
实际生产中，从
动力消耗、设备要求、生产成本综合考虑，不是压强越大越好
(4)N2和H2原料气在送入合成塔之前必须先净化的主要原因是______________
______。
(5)在合成氨生产中采取循环利用的原因是_______________________________
__________________________。
防止催化剂
中毒
合成氨的平衡转化率较小，为提高
原料的利用率采取循环操作
1.在一定条件下，可逆反应N2(g)＋3H2(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逆都发生变化而且变化的倍数相等
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，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
1
2
3
自我测试
√
1
2
3
自我测试
加入催化剂，同等程度改变v正和v逆，A正确；
增大压强，v正、v逆都增大，v正(气体分子总数减小的方向)增大程度大，B正确；
降温，v正、v逆都减小，v逆(吸热方向)减小的更多，C正确；
等容条件下加入氩气，各组分浓度均没有发生改变，v正、v逆均不变，D错误。
A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率
C.步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率
D.液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂
自我测试
1
2
3
2.下图为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是
√
自我测试
1
2
3
步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；
合成氨反应是气体分子数减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移动，即可提高原料转化率，增大压强，可增大反应速率，B项正确；
自我测试
1
2
3
步骤③为“催化反应”，催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转化率，且升高温度降低了原料的转化率，C项错误；
氨是制备氮肥的原料，液氨汽化时吸收热量，可以作为制冷剂，D项正确。
3.已知一定温度下合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·
mol－1，在相同温度、相同体积的密闭容器中进行如下实验：①通入1 mol N2和3 mol H2达到平衡时放热为Q1；②通入2 mol N2和6 mol H2达到平衡时放热为Q2。则下列关系正确的是
A.Q2＝2Q1
B.Q1>
C.2Q1D.Q1＝Q2<92.4 kJ
自我测试
1
2
3
√
自我测试
1
2
3
题述热化学方程式表示一定条件下，1 mol N2(g)与3 mol H2(g)完全反应生成2 mol NH3(g)时放出的热量是92.4 kJ，该反应为可逆反应，物质不能完全反应，恒温、恒容下，物质的量与压强成正比，物质的量与热量成正比，则①中参加反应的氮气小于1 mol，则Q1<92.4 kJ，②中参加反应的氮气小于2 mol，则Q2<184.8 kJ，且②中通入的n(N2)是①中的2倍，相当于增大压强，平衡正向移动，可知2Q1