【最新版】高中化学同步讲练：2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨2鲁科版选修4

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1、最新版化学教学资料第4节化学反应条件的优化工业合成氨学习目标定位1.能做到应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。2.体会应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。影响化学反应速率和化学平衡的重要因素：化学反应速率化学平衡温度温度越高，反应速率越大升高温度，平衡向吸热方向移动气体压强压强越大，反应速率越大增大压强，平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂正催化剂加快反应速率；受温度影响较大催化剂对平衡移动无影响浓度反应物浓度越大，反应速率越大增大反应物浓度，平衡正向移动探究点一合成氨反应的限度、速率1合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：

2、H92.2 kJmol1；S198.2 Jmol1K1。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？答案假设H和S不随温度变化，由HTS92.2 kJmol1T(198.2 Jmol1K1)/1 000 JkJ10能自发，得T465.2 K。故298 K下合成氨反应能自发进行。 2利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？答案合成氨反应的特点有可逆反应；常温下的自发的反应；正反应气态物质系数减小；正反应是放热反应。降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，且N2、H2体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。3利用条件对反应速率的影响分析。(1)利用升高温度

3、、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂来提高合成氨反应的速率。(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。可以采取增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比条件Ea/kJmol1k(催)/k(无)无催化剂335有催化剂1673.41012(700 K)说明了使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。归纳

4、总结使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件条件速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反应物的浓度增大浓度增大浓度活学活用1能使合成氨反应进行程度增大的方法是()A升高温度 B降低压强C使用催化剂 D及时分离出氨气答案D2合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是()A尽可能延长反应时间B通入过量的N2C通入过量的H2D升高温度答案C探究点二合成氨的适宜条件工业合成氨对各种外界条件选择的理由1压强：高压理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的

5、动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。2温度：700K理由：(1)因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 (2)但是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。(3)催化剂要在一定温度下催化活性最大。3浓度：N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为13时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为12.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨

6、冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。4催化剂：使用铁触媒作催化剂理由：经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在700_K时活性最高。归纳总结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温度适宜温度，700 K左右催化剂使用铁触媒作催化剂浓度N2和H2的物质的量比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去活学活用3合成氨的反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是()A低温、高压、催化剂

7、B高温、高压C尽可能的高温、高压D适宜的温度、高压、催化剂答案D4在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是()不断将NH3分离出来使用催化剂采用700 K左右的高温采用21075107 Pa的压强A B C D答案B1可以判断化学平衡发生移动的是( )A正、逆反应速率的改变 B加入催化剂C增大压强 D反应转化率的改变答案D2一定量的混合气体，在密闭容器中发生如下反应：xA(g)yB(g)zC(g)，达到平衡后测得A气体的浓度为0.5 molL1，当恒温下将密闭容器的容积扩大到2倍再达到平衡后，测得A的浓度为0.2 molL1，则下列叙述不正确的是()A平衡向正反

8、应方向移动 BxypqB若平衡时，A、B的转化率相等，说明反应开始时，A、B的物质的量之比为mnC若升高平衡体系的温度，达到新平衡时A的浓度变为原来的0.55倍，说明该反应Hz(2)逆反应(3)固或液(4)放10在密闭容器中，通入a mol N2和b mol H2，在一定条件下达到平衡，容器中还剩余c mol N2。(1)生成NH3的物质的量为_。(2)H2的平衡转化率为_。(3)若把容器的体积缩小一半，则正反应速率_(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率_，N2的转化率_。答案(1)2(ac) mol(2)3(ac)/b(3)增大增大增大能力提升11在一定温度和压强下，在密闭容

9、器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为311，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为934，则此时氮气的转化率为()A10% B20% C15% D30%答案A解析由题意设H2、N2、NH3的物质的量分别为3 mol、1 mol、1 mol。平衡时N2转化了a molN2(g)3H2(g)2NH3(g)初始物质的量/mol 1 3 1转化物质的量/mol a 3a 2a平衡物质的量/mol 1a 33a 12a则(1 a)/(12 a)3/4，解之得a0.1 molN2的转化率为(N2)0.1 mol/1 mol100%10%。12下面是合成氨的简易流程示意图：沿x路线回

10、去的物质是()AN2和H2 B催化剂CN2 DH2答案A13在密闭容器内，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H(298 K)92.2 kJmol1(1)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度之比为_。(2)保持体积不变，升高温度，平衡_(填“正向”、“逆向”或“不”，下同)移动，密度_(填“变大”、“变小”或“不变”)。(3)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氩气，平衡_移动。(4)当反应达到平衡时，保持温度、压强不变，充入氩气，平衡_移动。(5)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氮气，平衡_移动；氢气的转化率_(填“增大”、

11、“减小”或“不变”)。 答案(1)13(2)逆向不变(3)不(4)逆向(5)正向增大14在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)2SO3 (g)H198 kJmol1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)1105510511065106110745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(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400500 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是_。(

12、5)尾气中有SO2必须回收是为了_。答案(1)低温、高压(2)该温度是催化剂的活性温度，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(3)因为在常压下，400500 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，不适宜(4)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率(5)减少对环境的污染拓展探究15在一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比13的N2和H2。开始时体积相同，达到平衡时两容器中N2的转化率比较()Aa大 Bb大Ca、b一样大 D无法判断答案A解析先假设a容器开始时也保持容积不变达到平衡时，容器a

13、中N2的转化率(a)与容器b中N2的转化率(b)相等，即(a)(b)。但达到平衡时，a容器的压强比开始变小了。若要保持开始时的压强，必须缩小容器a的容积，则平衡正移。因此再达平衡时N2的转化率1(a)变大了。即1(a)(a)，则1(a)(b)。16科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0105 Pa、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量/(106 mol)4

14、.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)=2NH3(g)O2(g)H765.2 kJmol1回答下列问题：(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：_。(3)工业合成氨的反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之

15、比)为。计算：该条件下N2的平衡转化率；该条件下反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数。答案(1)(2)升温、增大N2浓度、不断移出生成物(3)66.7%5.0103 mol2L2解析(1)催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程，使一个高能变过程变为几个能量相对低的过程，使反应易发生。要点是有催化剂时能量低而反应过程中阶段多了。图见答案。(2)加快反应速率且增大NH3生成量的方法是升温、增大N2浓度、不断移出生成物。(3)解：设反应过程消耗x mol N2(g)。平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数2x(2.202x)x0.40N2的平衡转化率100%66.7%；设反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，NH320.40 mol2.0 L0.40 molL1N2(0.600.40) mol2.0 L0.10 molL1H2(1.6030.40) mol2.0 L0.20 molL1K(0.10 molL1)(0.20 molL1)3(0.40 molL1)25.0103 mol2L2。