2020版高中化学第2章第4节化学反应条件的优化__工业合成氨学案含解析鲁科版选修

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1、第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨[核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。一、合成氨反应的限度、速率1．合成氨反应的特点合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。(1)可逆性：反应为可逆反应。(2)体积变化：正反应是气体体积缩

2、小的反应。(3)焓变：ΔH<0，熵变ΔS<0。(4)自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。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浓度增大反应物浓度增大反应物浓度，降低生成物浓度增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度特别提示投料比：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)，考虑到催化剂的实际效果，适当提高N2

3、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。例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，分离出部分氨答案　D解析　要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生

4、成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。考点　合成氨反应限度、速率分析题点　增大合成氨反应限度的措施例2　对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　)A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用答案　C解析　对于化学反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学

5、平衡发生移动。高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。考点　合成氨反应限度、速率分析题点　增大合成氨反应限度和速率的措施二、工业合成氨的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从反应限度和反应速率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。2．工业合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(1×107～1×108Pa)温度适宜温度

6、，700_K左右催化剂使用铁触媒做催化剂浓度N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去3.问题讨论(1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在1×107～1×108Pa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强时应符合实际科学技术。(2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。②700_K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。例3　下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是(　

7、　)A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件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．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率答案　B解析　催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。考点　工业合成氨适宜条件的选择题点　工业合成氨适宜条件的理论解释合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离NH3后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的

8、浓度，有利于合成氨反应的进行。例4　已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH<0的实验数据如下表：温度不同压强下SO2的转化率