2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨
【学习目标】
1.了解如何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.了解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。
3.通过对合成氨适宜条件的分析,认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。
【自主预习】
一、合成氨反应的限度
1.反应原理
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。
2.反应特点
3.影响因素
(1)外界条件:　　　　温度、　　　　压强,有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
(2)投料比:温度、压强一定时,N2、H2的体积比为　　　　时平衡混合物中氨的含量最高。
【微点拨】
合成氨反应中,为了提高原料转化率,常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。
二、合成氨反应的速率
1.提高合成氨反应速率的方法
2.浓度与合成氨反应速率之间的关系
在特定条件下,合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3),由速率方程可知:　　　　N2或H2的浓度,　　　　NH3的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。
【微点拨】
温度升高k值增加,会加快反应速率;同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能,使合成氨反应的速率提高。
三、合成氨生产的适宜条件
1.合成氨反应适宜条件分析
工业生产中,必须从　　　　和　　　　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　　　　,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　　　　,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
2.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　　左右
2 物质的量 N2、H2投料比　　　
3 压强 1×107~1×108 Pa
4 催化剂 选择　　作催化剂
5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去,同时补充N2、H2
3.合成氨的生产流程的三个阶段
【参考答案】一、2.可逆　减小　<　<　<　能　3.(1)降低
增大　(2)1∶3
二、1.升高　增大　增大　催化剂　2.增大　减小
三、1.反应速率　反应限度　转化率　产量　2.700 K
1∶2.8　铁
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。 (　　)
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)
(3)合成氨反应中,压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。 (　　)
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
【解析】(1)合成氨反应ΔH<0,ΔS<0,ΔH-TΔS在低温
时小于0。(2)合成氨反应ΔH<0,温度越低越利于平衡正向移动。(4)催化剂能同等倍数改变正、逆反应速率,对转化率无影响。
2.分析合成氨反应的特点有哪些
【答案】合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小(熵减小)的可逆反应。
3.根据外界条件对化学平衡的影响规律,你认为采取哪些措施有利于氨的生成
【答案】降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
4.通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率
【答案】升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速率。在特定条件下,根据关系式v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)可知,增大N2或H2的浓度,减小NH3的浓度,都有利于提高合成氨的速率。
【合作探究】
任务　工业合成氨反应的特点及条件选择
情境导入　用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个很艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产,经历了从18世纪末到20世纪初一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展,高温、高压等工业技术条件的改善以及许多研究工作者的反复试验,德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应,终于在1914年实现了合成氨的工业化生产,满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求,因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。
问题生成
1.合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知:298 K时,ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1;合成氨反应的平衡常数K=4.1×106。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。
【答案】由于ΔH-TΔS=-92.2 kJ·mol-1+298 K×198.2×10-3 kJ·K-1·mol-1<0,故298 K下合成氨反应能自发进行。
2.工业上利用反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨。相同温度下,在体积为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1。
实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:
编号 起始时各物质的物质的量/mol 平衡时反应的能量变化
N2 H2 NH3
① 1 3 0 放出热量a kJ
② 2 3 0 放出热量b kJ
(1)计算容器①中反应物N2的转化率。
【答案】1 mol N2完全反应时放出的热量为92.2 kJ,①中平衡时放出热量a kJ,则反应物N2的转化率为。
　(2)写出容器①中反应的化学平衡常数的计算式。
【答案】　　　　　N2　+　 3H2　2NH3
初始浓度/(mol·L-1)　 1　　　3　　　　　0
转化浓度/(mol·L-1)　 　　 　　
平衡浓度/(mol·L-1)　 1-　 3-　
K==。
　(3)两个容器中合成氨反应的平衡常数有什么关系
【答案】相等。
　(4)比较两个容器中N2、H2的转化率的大小。
【答案】N2的转化率:①>②;H2的转化率:②>①。
3.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 为什么
【答案】不是。因为温度一定时,增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利,但压强越大需要的动力越大,对材料和设备的制造要求越高,一般采用的压强为10~30 MPa。
4.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 为什么
【答案】不是。因为从化学平衡的角度考虑,合成氨在低温时有利于平衡向生成氨的方向移动,但是温度过低时反应速率很慢,需要很长时间才能达到平衡,很不经济,所以实际生产中,一般采用的温度为400~500 ℃(在此温度时催化剂的活性最大)。
5.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,为什么还要使用催化剂呢
【答案】为了加快反应速率,通常采用以铁为主的催化剂。
6.怎样提高N2、H2的利用率
【答案】将未化合的N2、H2循环使用。
7.合成氨时温度在700 K左右的主要原因是什么
【答案】在700 K左右铁催化剂的活性最大。
【核心归纳】
1.工业合成氨的适宜条件
(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性,又要注意外界条件对反应影响的矛盾性;
(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性对温度的限制;
(3)既要注意理论上的需要,又要注意实际操作上的可能性。
改变 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择
增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡时混合物中NH3的产量 压强增大,有利于氨的合成,但需要的动力大,对材料、设备等的要求高,因此,工业上一般采用 1.3×107~3×107 Pa的压强
升高 温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的含量 合成氨的温度要适宜,工业上一般采用500 ℃左右的温度(因该温度时,催化剂的活性最大)
使用催 化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动,但能缩短反应达到平衡的时间,工业上一般选用铁触媒作催化剂
2.合成氨的生产流程
【典型例题】
【例1】在合成氨时,既要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有(　　)。
①增大反应装置体积使压强减小　②减小反应装置体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容下,再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压下,再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用正催化剂
A.①④⑤⑦　　　　　　B.②③④⑤⑦⑧
C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧
【答案】C
【解析】要使氨的产率增大,就要使平衡右移,增大压强、降低温度、增大N2和H2的浓度和及时分离产生的NH3均可达到目的;要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度和使用正催化剂均可达到目的。
【例2】对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,下列研究目的和示意图相符的是(　　)。
A B C D
压强对反应的影响(p2>p1) 温度对反应的影响 恒容时,向平衡体系中通入N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
　　【答案】C
【解析】A项,p1压强下达到平衡的时间短,所以p1>p2,压强增大时,平衡正向移动,氨气的体积分数增大,不符合;B项,合成氨的正反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,氮气的转化率变小,不符合;C项,恒容时向平衡体系中通入氮气,反应速率加快,平衡正向移动,符合;D项,催化剂能缩短反应达到平衡的时间,不符合。
【例3】合成氨工业是现代化工和国民经济的重要支柱,已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0。电催化还原N2制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的微粒用*表示。下列说法正确的是(　　)。
A.电催化法是通过一步把N2还原为NH3的高效还原法
B.析氢反应(H*+H*→H2)不会影响NH3的合成
C.电催化法能降低合成NH3反应的活化能,从而降低了反应的ΔH
D.NH3的及时脱附有利于增加催化剂活性位点的利用率
　　【答案】D
【解析】N2生成NH3的过程中氮原子结合氢原子,氮元素化合价降低,被还原发生还原反应,N2生成NH3是通过多步还原反应实现的, A项错误;已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,析氢反应会导致合成氨的氢原子减少,影响合成氨, B项错误;电催化法能降低合成NH3反应的活化能,不能降低反应的ΔH, C项错误;NH3的及时脱附,减少了反应产物的浓度,会使平衡向右移动,有利于合成氨, D项正确。
【随堂检测】
课堂基础
1.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列操作与平衡移动无关的是(　　)。
A.不断地将氨分离出来
B.使用催化剂
C.采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D.采用2×107~5×107 Pa的压强
【答案】B
【解析】把氨分离出来是减小反应产物浓度,有利于平衡右移;合成氨反应是放热反应,较低温度利于反应向右进行,同时该反应是气体体积减小的反应,尽可能采取高压利于正反应,A、C、D三项都符合平衡移动原理,而使用催化剂仅是为了增大反应速率,与平衡无关。
2.下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)。
A.①②③　　　　　 B.①③⑤
C.②④⑤ D.②③④
【答案】C
【解析】①净化干燥,不能提高原料的利用率;②加压,体积减小,平衡正向移动,原料利用率提高;③催化剂对平衡无影响,不能提高原料利用率;④液化分离,减小氨气的浓度,平衡正向移动,原料利用率提高;⑤剩余的氢气与氮气再循环,可提高原料利用率。
3.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
【答案】D
【解析】因合成氨是放热反应,升高温度平衡逆向移动,降低温度平衡正向移动,故A、C两项错误;加入催化剂可加快反应速率,但对平衡移动无影响,B项错误;因合成氨的正反应是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,增加反应物浓度或减小反应产物浓度也会使平衡向正反应方向移动,D项正确。
4.工业合成氨的正反应是放热反应,下列关于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的图像中,错误的是(　　)。
　　
A　　 　　　B　　 　　　　C　　 　　D
【答案】C
【解析】合成氨的正反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但逆反应速率增大的程度更大,A项正确;T1时,φ(NH3)最大,反应达到平衡后,再升高温度,平衡逆向移动,φ(NH3)减小,B项正确,C项错误;增大压强,平衡正向移动,φ(NH3)增大,D项正确。
对接高考
5.(2015·上海卷,20)对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是(　　)。
A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大
【答案】B
【解析】A项,合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正反应、逆反应的反应速率都增大,但是温度对吸热反应的速率影响更大,所以对该反应来说,对逆反应速率影响更大,错误;B项,合成氨的正反应是气体体积减小的反应,增大压强,对正反应的反应速率影响更大,正反应速率大于逆反应速率,所以平衡正向移动,正确;C项,减小反应物浓度,使正反应的速率减小,由于反应产物的浓度没有变化,所以逆反应速率不变,逆反应速率大于正反应速率,所以化学平衡逆向移动,错误;D项,加入催化剂,使正反应、逆反应速率改变的倍数相同,正反应、逆反应速率相同,化学平衡不发生移动,错误。
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