化學(xué)選修四化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨

第二章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨知識點一合成氨反應(yīng)的限度

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欄目鏈接1．分析合成氨反應(yīng)的自發(fā)性。已知：N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)ΔH＝－92.2

kJ·mol－1ΔS＝－198.2

J·K－1·mol－1在298

K時，ΔH－TΔS＝－92.2

kJ·mol－1－298

K×(－198.2×10－3)kJ·K－1·mol－1＝－33.1

kJ·mol－1<0故該反應(yīng)在298

K時能自發(fā)進(jìn)行。

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欄目鏈接2．合成氨的條件。該反應(yīng)是正反應(yīng)體積減小、放熱、熵減的可逆反應(yīng)，由化學(xué)平衡移動原理及影響平衡移動的條件知，合成氨的理想條件是：低溫、高壓。實驗表明：在一定的溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)物N2、H2的體積比為1∶3時，平衡混合物中氨的含量最高。

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欄目鏈接例1保持溫度、壓強(qiáng)不變，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是(

)A．恒溫、恒壓時，充入NH3

B．恒溫、恒容時，充入N2

C．恒溫、恒壓時，充入He

D．恒溫、恒容時，充入He

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欄目鏈接解析：本題考查濃度對化學(xué)平衡的影響。在恒溫、恒壓時，向平衡體系中加入NH3，體系體積增大，由于加入的物質(zhì)是生成物，實際上是等于減少了反應(yīng)物的濃度(反應(yīng)物的體積變大，而物質(zhì)的量沒變)，此時，正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡向左移，故A將發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，充入N2使容器內(nèi)壓強(qiáng)增大。由于整個體系的體積不變，所以加入N2后，反應(yīng)物N2的濃度增大，所以平衡向右移動。

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欄目鏈接故B發(fā)生移動。在恒溫、恒壓時，加入He，使整個體系做等壓膨脹，體積變大，He雖然不參與化學(xué)反應(yīng)，但由于體積的膨脹，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的濃度都相應(yīng)減小，結(jié)果，反應(yīng)物濃度減小的程度比生成物濃度減小的程度大，此時正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡左移，故C發(fā)生移動。在恒溫、恒容時，向體系中加入He，使整個體系壓強(qiáng)增大，但由

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欄目鏈接于He不參與反應(yīng)，對于參加反應(yīng)的物質(zhì)而言，它們的物質(zhì)的量和體積都沒有變化，所以濃度沒變，故D平衡不發(fā)生移動。答案：D

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欄目鏈接?變式訓(xùn)練1．可逆反應(yīng)3H2(g)＋N2(g)

2NH3(g)

ΔH<0達(dá)到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項中采用的三種方法都正確的是(D)A．升高溫度，降低壓強(qiáng)，增加氮氣B．降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑C．升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮氣D．降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨

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欄目鏈接解析：本題旨在考查影響化學(xué)平衡的外界因素的應(yīng)用與分析。題目要求增大合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率，就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應(yīng)的其他條件，使更多的氫氣轉(zhuǎn)化為氨。從化學(xué)平衡分析也就是使平衡向正反應(yīng)方向移動。先分析溫度的影響，合成氨是放熱反應(yīng)，從理論上分析應(yīng)采用盡可能低的溫度，選項A、C中升高溫度是錯誤的。合成氨反應(yīng)前后都是氣體物質(zhì)，反應(yīng)前氣體體積比反應(yīng)后氣體體積更大，所以增大壓強(qiáng)

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欄目鏈接會使平衡向氣體體積減小的方向移動，即向正反應(yīng)方向移動，選項A是錯誤的，其他選項中增大壓強(qiáng)是正確的。有關(guān)濃度的影響，增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度，會使平衡向正反應(yīng)方向移動，在合成氨反應(yīng)中增加氮氣和減少(分離出)氨可以使反應(yīng)向正方向移動。加入催化劑可加快反應(yīng)，但對平衡移動無影響，選項B是錯誤的。知識點二合成氨的反應(yīng)速率

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欄目鏈接1．由平衡移動的原理可知，合成氨要在高壓和低溫下才能得到較高的產(chǎn)率。但是高壓條件對設(shè)備的要求高，而反應(yīng)溫度的降低勢必延長達(dá)到化學(xué)平衡的時間，致使生產(chǎn)效率降低，失去了工業(yè)生產(chǎn)的意義。因此在尋找最佳的生產(chǎn)條件時，除了考慮反應(yīng)的限度外，還需要研究哪些措施可以用來提高化學(xué)反應(yīng)速率。

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欄目鏈接2．增大反應(yīng)速率的方法：可以采用升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物N2(或H2)的濃度及使用催化劑等措施來提高合成NH3的反應(yīng)速率。3．濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響：從v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)知，在一定的溫度、壓強(qiáng)下，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度c(N2)或c1.5(H2)成正比關(guān)系，與生成物濃度c(NH3)成反比關(guān)系。因此可以采用增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度來提高化學(xué)反應(yīng)速率。

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欄目鏈接4．催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響：加催化劑可以使反應(yīng)的活化能從335

kJ·mol－1降低為167

kJ·mol－1，=3.4×1012(700

K)表明，使用催化劑后可以使合成氨的反應(yīng)速率提高上萬億倍，因為催化劑改變了反應(yīng)的歷程，降低了反應(yīng)所需的活化能，增大了反應(yīng)速率常數(shù)，大大提高了化學(xué)反應(yīng)速率。結(jié)論：從化學(xué)反應(yīng)速率理論方面分析，增大反應(yīng)物濃度、使用合適的催化劑、增大壓強(qiáng)及升高溫度都可以增大合成氨的反應(yīng)速率。

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欄目鏈接例2對于合成氨的反應(yīng)來說，使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是(

)A．都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡狀態(tài)無影響B(tài)．都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間C．都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，只有壓強(qiáng)對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D．催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，而壓強(qiáng)無此作用

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欄目鏈接解析：本題考查運用平衡移動原理及化學(xué)反應(yīng)速率理論來解決問題的實際應(yīng)用能力。對于化學(xué)反應(yīng)：N2

(g)＋3H2(g)

2NH3(g)，催化劑只能降低反應(yīng)所需活化能，增大反應(yīng)速率常數(shù)，提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動。高壓能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動。答案：C

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欄目鏈接?變式訓(xùn)練2．工業(yè)上合成氨時一般采用700

K左右的溫度，其原因是(D)①提高合成氨的速率②提高氨氣的轉(zhuǎn)化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在700

K時活性最大A．只有①B．①②C．②③④D．①④解析：從反應(yīng)速率考慮，溫度越高，速率越快；但在合成氨中溫度在700

K左右時，催化劑活性最好，更有利于提高合成氨的反應(yīng)速率。知識點三合成氨適應(yīng)條件

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欄目鏈接1．化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化?；瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域起著重要的作用，在實際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)運用對立統(tǒng)一的規(guī)律，綜合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動原理，既考慮反應(yīng)的快慢(反應(yīng)速率的大小)，又考慮反應(yīng)進(jìn)行的程度(化學(xué)平衡)。

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欄目鏈接在這個過程中還要堅持以下三個原則：(1)既要注意外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又要注意對二者影響的矛盾性；(2)既要注意溫度、催化劑對反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對溫度的限制；(3)既要注意理論上的需要，又要注意實際生產(chǎn)的可能性。

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欄目鏈接2．對于某一特定的實際反應(yīng)，選取適宜的外界條件的基本思路。(1)從可逆性、反應(yīng)前后條件系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點。(2)根據(jù)反應(yīng)特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進(jìn)行綜合分析，再充分考慮。

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欄目鏈接例如，合成氨的工業(yè)生產(chǎn)：①壓強(qiáng)：溫度一定時，增大混合氣體的壓強(qiáng)對合成氨的速率和平衡都有利，但壓強(qiáng)越大需要的動力越大，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，一般采用2×107～5×107

Pa。②溫度：從平衡的角度考慮，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應(yīng)速率變慢，需要很長時間才能達(dá)到平衡，很不經(jīng)濟(jì)，所以實際生產(chǎn)中，采用500℃左右的適宜溫度(在此溫度時催化劑的活性最大)。

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欄目鏈接③催化劑：為了加快反應(yīng)速率，采用以鐵為主體的鐵催化劑。④濃度：不斷地補(bǔ)充氮氣和氫氣，及時地分離出氨氣。例3合成氨的反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)，在一定條件下已達(dá)到平衡狀態(tài)。(1)此時____________相等，__________保持不變，而________卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是________平衡。

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欄目鏈接(2)若降低溫度，會使上述化學(xué)平衡向生成氨的方向移動，則正反應(yīng)是________反應(yīng)，生成1摩爾氨的反應(yīng)熱是46.1

kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為________。(3)合成氨時，選擇500℃高溫的目的是________。(4)若反應(yīng)容器的體積不變，原反應(yīng)溫度不變，而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，則上述平衡向________移動；若在平衡體系中加入氦氣，則上述平衡________移動。

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欄目鏈接解析：解決此問題的關(guān)鍵是：(1)根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的定義及特點可知，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正、逆反應(yīng)速率相等，各反應(yīng)物和生成物的濃度保持不變，而正、逆反應(yīng)卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是動態(tài)平衡。(2)由溫度對化學(xué)平衡的影響可知，降低溫度使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)。由題意知，生成2

mol氨的反應(yīng)熱是46.1

kJ×2，即92.2

kJ，則合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N2(g)＋3H2(g)

2NH3

(g)

ΔH＝－92.2

kJ·mol－1。(3)升高溫度和加入催化劑都能加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大。

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欄目鏈接

(4)若保持反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度不變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當(dāng)于增大體系的壓強(qiáng)，根據(jù)壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響，可判斷上述平衡應(yīng)該向正反應(yīng)方向移動；若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應(yīng)，由于反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強(qiáng)，并未改變反應(yīng)體系的壓強(qiáng)，因此氦氣的加入對上述平衡沒有影響即化學(xué)平衡不移動。

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欄目鏈接答案：(1)正、逆反應(yīng)速率各反應(yīng)物和生成物的濃度正、逆反應(yīng)動態(tài)(2)放熱N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)

ΔH＝－92.2

kJ·mol－1

(3)加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大(4)正反應(yīng)方向不

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欄目鏈接?變式訓(xùn)練3．在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)

2SO3(g)

ΔH＝－198

kJ·mol－1。下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。

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欄目鏈接從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是________________________________________________。實際生產(chǎn)中，選定400～500℃作為操作溫度其原因是________________________________________________。實際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是________________________________________________。在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的中________________________________________________。(5)尾氣中有SO2必須回收是為了_______________________________。

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欄目鏈接解析：(1)觀察反應(yīng)的特點可以得出要想使平衡正向移動，可以采取的措施為低溫、高壓。(2)由于400～500℃是較高溫度，而升高溫度雖然會使反應(yīng)速率加快，但是通過上表分析對生成物的產(chǎn)率影響不大，所以主要原因是此溫度時催化劑的活性最大。(3)因為在常壓下400～500℃時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設(shè)備及動力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，故采用常壓。

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欄目鏈接

(4)增大氧氣的濃度，相當(dāng)于增大了反應(yīng)物的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率。(5)尾氣是一種污染性氣體，所以在反應(yīng)結(jié)束后需對其進(jìn)行尾氣處理，以減少對環(huán)境的污染。答案：(1)低溫、高壓(2)該溫度是催化劑的活性溫度，選擇此溫度可提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時間

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欄目鏈接(3)因為在常壓下400～500℃時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設(shè)備及動力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不適宜(4)增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率(5)減少對環(huán)境的污染知識點四合成氨生產(chǎn)的工藝流程探究

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欄目鏈接1．生產(chǎn)流程：制氣→凈化除雜→壓縮→合成→冷卻分離→循環(huán)壓縮。合成氨生產(chǎn)示意圖：

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欄目鏈接2．原料氣的制備。(1)N2。①物理方法：將空氣液化蒸發(fā)分離出N2。由于相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點：N2＜O2＜CO2＜H2O(g)，因此，高壓下將空氣液化后，經(jīng)減壓蒸發(fā)，最先得到的是N2，然后還可以得到O2等。此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法。②工業(yè)上的化學(xué)方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。

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欄目鏈接

(2)H2。工業(yè)上用水蒸氣與焦炭在高溫下反應(yīng)，吸收CO2后制得。工業(yè)上也可用碳?xì)浠衔锱c氧氣或水