2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨(共25张PPT)-2023-2024学年高二化学鲁科版选择性必修第一册课件

(共21张PPT)
第二章第4节 化学反应条件的优化
——工业合成氨
学习目标
知识体系
1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。
2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
化工生产过程中反应条件的优化
反应条件优化的目的：
降低生产成本，提高经济效益
②化学反应的限度
③化学反应的速率
生产的高效益
生产的高效率
④生产条件对生产设备的要求等投资成本
经济效益
①化学反应的方向
生产的科学性
交流研讨
阅读课本第76-77页，以合成氨为例来分析反应条件的选择
1.请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行？
△H－T△S= －92.2KJ·mol-1－298K×(－198.2×10-3KJ·K-1 ·mol -1 )
= －33.1KJ·mol-1＜0
反应能自发进行
一、合成氨反应的限度
降低温、增大压强有利于化学平衡正向移动，
N2、H2浓度比为1：3，平衡混合物中氨的含量最高。
2.根据合成氨反应的特点,利用影响化学平衡移动的因素,分析什么条件有利于氨的合成？
1、结合影响反应速率的因素，你认为通过控制什哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？
(1)温度： (2)压强：
(3)浓度： (4)催化剂：
二、合成氨反应的速率
升高温度
增大压强
增大反应物浓度
使用催化剂
交流研讨：
阅读课本第77-78页
增大N2、H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去
请你根据关系式分析：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？
2、实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为：v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 Ea /KJ·mol-1 K(催)/K(无)
无催化剂 335 3.4×1012(700k)
使用Fe催化剂 167
使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
催化剂的选择性、高效性、局限性。
如何提高催化剂的活性（自身成分、温度、粒度、合成方法、反应温度及压强）。
如何防止催化剂中毒。
1、根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请填写课本第79页表格
三、合成氨的适宜条件
交流研讨
⑵既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？
⑴既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？
⑶在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？
2、请你尝试为合成氨选择适宜条件
合成氨适宜条件
催化剂_________
温度__________________________
根据设备动力选择压强________________
N2、H2投料比______
及时分离________
铁
700K左右(催化剂的活性温度)
1×107~ 1×108Pa
1:2.8
氨气
1、已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表
(1) 应选用的温度是______。
应采用的压强是______，理由是___________
________________________________________________________________________________。
450℃
常压
因为常压下SO2
的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高
练习：
2、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（ ）
A、低温、高压、适当的催化剂
B、高温、常压
C、尽可能高温、高压
D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂
D
3.下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( )
A.温度升高，不利于提高合成氨的反应速率
B.工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨
C.合成氨反应化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等因素的影响
D.使用铁催化剂，可以使氮气和氢气化合的速率明显加快
CD
4.在一定温度下，在恒压容器 a 与恒容容器 b 中，分别盛入体积比为1∶3 的N2和H2，开始时体积相同，达到平衡时,N2的转化率应该是( )
A. a大 B. b大
C. a、b一样大 D.不一定
A
平衡后，恒压容器 压强大， 恒容容器容积大！
5.在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定条件下反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氨气的体积分数接近于( )
A.5% B.10% C.15% D.20%
C
列三段式
6.下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是( )
A、H2的消耗速率与NH3的生成速率之比为3∶2
B、混合气体的平均相对分子质量不再改变
C、N2的生成速率与NH3的生成速率之比为1∶1
D、密闭容器中H2、N2、NH3的物质的量之比为3∶1∶2
B
7、合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。
(1)下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理来解释的是_____。
A、使用铁催化剂有利于合成氨的反应
B、高压比常压更有利于合成氨的反应
C、500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D、使反应混合物中的氨液化后分离有利于合成氨的反应
AC
(2)已知工业合成氨N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)ΔH=-92.2 kJ·mol-1。
①一定温度下，在容积恒定的密闭容器中，一定量的 N2 和 H2 反应达到平衡后，改变某一外界条件，反应速率与时间的关系如下图所示，其中t2、t4、t7时刻所对应的实验条件改变分别是：
t2 t4 t7 。
增大N2或H2的浓度
加入催化剂
降温
增上减下、
哪移哪大、
温压要断、
浓度相连
规律总结：
②温度为T ℃时，将2a mol H2和a mol N2放入0.5 L密闭容器中，充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%，此时放出热量46.1 kJ，则该温度下反应的平衡常数为__________。
4.0
用三段式计算： N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
起始物质的量浓度(mol L-1)： 2a 4a 0
转化物质的量浓度(mol L-1)： a 3a 2a
平衡物质的量浓度(mol L-1)： a a 2a
平衡常数K=4a2/a4=4/a2
平衡时放出热量46.1 kJ，则平衡时N2转化了0.5 mol，0.5a=0.5 mol，a=1.0，K=4.0。
8.在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)ΔH =-198kJ·mol-1 。如表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)
催化剂
△
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(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_____________。
(2)实际生产中，选定400 ℃～500 ℃作为操作温度其原因是__________________。
(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是__________________________________。
(4)在生产中，通入过量空气的目的___________。
(5)尾气中的SO2必须回收是为了_________。
低温，高压
该温度催化剂的活性最高，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间
因为在常压下400 ℃～500 ℃时SO2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不合适
增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高二氧化硫的转化率
减少对环境的污染
9、0.1 mol CO2与0.3 mol C在恒压密闭容器中发生反应:CO2(g)+C(s) 2CO(g)。平衡时,体系中各气体的体积分数与温度的关系如图。已知:用气体分压表示的化学平衡常数Kp= P2平(CO)/P平(CO2) ;气体分压(p分)=气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是(　　)
A.650 ℃时,CO2的平衡转化率为25%
B.800 ℃达平衡时,若充入气体He,v正C.T ℃达平衡时,若充入等体积的CO2和CO时,v正>v逆
D.925 ℃时,用平衡气体分压表示的化学平衡常数Kp=23.04p总
AD
CO%
CO2%
都是平衡点