2022年新教材高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨學(xué)案選擇性

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課標(biāo)解讀##課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件。2.了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異。3.認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。1.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，形成從限度、速率、能耗等多角度綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基本思路，發(fā)展“綠色化學(xué)”的觀念和辯證思維的能力。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：能運(yùn)用溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際問題。自主學(xué)習(xí)·必備知識(shí)知識(shí)點(diǎn)一合成氨反應(yīng)的限度1.反應(yīng)原理已知在298?K時(shí)，N2(g)+3?2.反應(yīng)特點(diǎn)①可逆②減小③＜④＜⑤＜⑥能3.有利于合成氨的條件a.外界條件：⑦降低溫度、⑧增大壓強(qiáng)，有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。b.投料比：溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)，N2、H2的體積比為⑨想一想合成氨反應(yīng)中，為了提高原料轉(zhuǎn)化率，通常如何處理反應(yīng)后的尾氣？答案：將未能轉(zhuǎn)化的N2、H判一判1.因?yàn)楹铣砂背叵率且粋€(gè)自發(fā)的反應(yīng)，所以這個(gè)反應(yīng)很容易發(fā)生(×)2.在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)物氮?dú)夂蜌錃獾霓D(zhuǎn)化率相等(×)知識(shí)點(diǎn)二合成氨反應(yīng)的速率1.提高合成氨反應(yīng)速率的方法①升高②增大③增大④催化劑2.濃度與合成氨反應(yīng)速率之間的關(guān)系在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v=kc(N2)?c1.5(H2)?知識(shí)點(diǎn)三合成氨生產(chǎn)的適宜條件1.合成氨反應(yīng)適宜條件分析（1）選擇合成氨生產(chǎn)條件時(shí)，既不能片面地追求高①轉(zhuǎn)化率，也不應(yīng)只追求高②反應(yīng)速率，而應(yīng)該尋求③以較高的反應(yīng)速率獲取適當(dāng)轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。（2）考慮原料的④價(jià)格、未轉(zhuǎn)化的合成氣（氮?dú)夂蜌錃猓┑蘑菅h(huán)使用、⑥反應(yīng)熱的綜合利用等。2.合成氨的適宜條件影響因素選擇條件（1）溫度反應(yīng)溫度控制在⑦700?K（2）物質(zhì)的量N2、H2（3）壓強(qiáng)1×10（4）催化劑選擇⑨鐵作催化劑（5）濃度使氣態(tài)NH3變成液態(tài)NH3并及時(shí)分離出去，同時(shí)補(bǔ)充H3.合成氨的生產(chǎn)流程的三階段想一想（1）合成氨時(shí)，增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？為什么？（2）合成氨時(shí)，降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？為什么？答案：（1）不是。壓強(qiáng)越大需要的動(dòng)力越大，對(duì)設(shè)備的制造要求越高。（2）不是。因?yàn)闇囟仍降头磻?yīng)速率越慢，達(dá)到平衡所需時(shí)間越長，很不經(jīng)濟(jì)，所以實(shí)際生產(chǎn)中，采用700?K互動(dòng)探究·關(guān)鍵能力探究點(diǎn)工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則情境探究在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)將SO2氧化成SO已知催化劑是V2O5，在400～500?壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化率溫度1×1×5×1×450?97.5%99.2%99.6%99.7%550?85.6%94.9%97.7%98.3%問題1：根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡快地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)速率的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？答案：提示高溫、高壓、催化劑。問題2：根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡量多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)限度的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？答案：提示低溫、高壓。問題3：在實(shí)際生產(chǎn)中，選定400～500?℃答案：提示在此溫度下催化劑的活性最高。問題4：根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析，制取SO3答案：提示1×105Pa問題5：在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是什么？答案：提示增大反應(yīng)物O2的濃度，提高SO問題6：根據(jù)上述分析，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中該反應(yīng)應(yīng)選擇的條件是什么?答案：提示常壓、450?℃探究歸納工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則1.從可逆性、反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)計(jì)量數(shù)的大小關(guān)系、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。2.根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)具體分析外界條件對(duì)速率和平衡的影響;從速率和平衡的角度進(jìn)行綜合分析，再充分考慮實(shí)際情況，選出適宜的外界條件。外界條件有利于加快速率的條件控制有利于平衡正向移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小反應(yīng)產(chǎn)物的濃度不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物，及時(shí)地分離出反應(yīng)產(chǎn)物催化劑加合適的催化劑—加合適的催化劑溫度高溫△低溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度△高溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性壓強(qiáng)高壓（有氣體參加）△高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓△低壓兼顧速率和平衡，選擇適宜的壓強(qiáng)探究應(yīng)用例（2021廣東惠州高二月考）合成氨工業(yè)的發(fā)展大大提高了糧食產(chǎn)量，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的發(fā)展。合成氨時(shí)，既要使合成氨的產(chǎn)率增大，又要使反應(yīng)速率加快，可采取的辦法是()①減壓②加壓③升溫④降溫⑤及時(shí)從平衡混合氣中分離出NH3⑥補(bǔ)充N2或H2⑦加催化劑⑧減小NA.③④⑤⑦B.②⑤⑥C.②⑥D(zhuǎn).②③⑥⑦答案：B解析：解答本題需注意以下三點(diǎn)：合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)；影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素;合成氨適宜條件的選擇。合成氨反應(yīng)N2解題感悟化工生產(chǎn)條件的選擇需要注意的問題（1）選取適宜的化工生產(chǎn)條件時(shí)，既要考慮反應(yīng)速率問題，又要考慮化學(xué)平衡移動(dòng)的問題，同時(shí)也要考慮化工生產(chǎn)中的動(dòng)力、材料、設(shè)備、催化劑等因素的影響，綜合選取適宜條件。（2）溫度的選擇，不僅要考慮速率、平衡問題，同時(shí)還要照顧到催化劑的活性。（3）壓強(qiáng)的選擇，除了考慮速率和平衡問題，還要考慮對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求和成本問題。遷移應(yīng)用1.在合成氨反應(yīng)中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(duì)化學(xué)平衡無影響B(tài).都對(duì)化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有施加高壓對(duì)化學(xué)平衡有影響D.使用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而施加高壓無此效果答案：C解析：對(duì)于反應(yīng)N2(g2.（★）合成氨工業(yè)中，原料氣（N2、H2及少量CO、NH3的混合氣）在進(jìn)入合成塔前常用醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)是[Cu(（1）必須除去原料氣中CO的原因?yàn)?。?）醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液吸收CO的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是。（3）吸收CO后的醋酸二氨合銅溶液經(jīng)過適當(dāng)處理又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用。醋酸二氨合銅溶液再生的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是。答案：（1）防止合成塔中的催化劑中毒（2）低溫、高壓（3）高溫、低壓解析：分析吸收CO反應(yīng)的特點(diǎn)：正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，用化學(xué)平衡原理及有關(guān)合成氨適宜條件的選擇知識(shí)即可作答。評(píng)價(jià)檢測(cè)·素養(yǎng)提升課堂檢測(cè)1.合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，NH3A.提高分離技術(shù)B.研制耐高壓的合成塔C.研制低溫催化劑D.探索不用N2和H答案：C解析：由題圖可知,NH3的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而顯著下降，故要提高NH32.在其他條件不變的情況下，能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是()A.升高溫度B.減小壓強(qiáng)C.使用催化劑D.及時(shí)分離出氨氣答案：D解析：合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)前后氣體體積減小。升高溫度，會(huì)使平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度減小，A項(xiàng)不符合題意；減小壓強(qiáng)，平衡會(huì)向氣體體積增大的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度減小，B項(xiàng)不符合題意；使用催化劑，平衡不移動(dòng)，合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度不發(fā)生變化，C項(xiàng)不符合題意；及時(shí)分離出氨氣，減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度，平衡正向移動(dòng)，能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大，D項(xiàng)符合題意。3.（2021山東德州高二月考）哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，如圖所示是哈伯法合成氨的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.②③④答案：B解析：氮?dú)夂蜌錃庠诟邷?、高壓和催化劑條件下反應(yīng)生成氨氣，正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。凈化氣體是為了防止雜質(zhì)氣體對(duì)催化劑產(chǎn)生影響，不能提高原料的轉(zhuǎn)化率，①不符合題意；加壓，平衡正向移動(dòng)，可以提高原料的利用率，②符合題意；使用催化劑，可以加快反應(yīng)速率，但平衡不移動(dòng)，不能提高原料轉(zhuǎn)化率，③不符合題意；分離出氨氣，平衡正向移動(dòng)，提高了原料的轉(zhuǎn)化率，④符合題意；氮?dú)夂蜌錃庠傺h(huán)，可提高原料的轉(zhuǎn)化率，⑤符合題意。4.（★）合成氨反應(yīng)通?？刂圃?0～50?MPa的壓強(qiáng)和500?20?60?500?19.1%42.2%而實(shí)際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約15%，這表明()A.表中所測(cè)數(shù)據(jù)有明顯誤差B.生產(chǎn)條件控制不當(dāng)C.氨的分解速率大于預(yù)測(cè)值D.合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡答案：D解析：合成氨工業(yè)考慮單位時(shí)間的產(chǎn)量問題，并未讓合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡，因?yàn)樽尫磻?yīng)達(dá)到平衡需要一定的時(shí)間，時(shí)間太長得不償失。素養(yǎng)視角1.（2021山東泰安高二月考）合成氨工業(yè)對(duì)化學(xué)工業(yè)和國防工業(yè)具有重要意義。工業(yè)合成氨生產(chǎn)示意圖如圖所示。（1）X的化學(xué)式為。（2）上圖中條件選定的主要原因是（填字母）。A.溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響B(tài).鐵觸媒在該溫度時(shí)活性大C.工業(yè)生產(chǎn)受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制（3）改變反應(yīng)條件，會(huì)使平衡發(fā)生移動(dòng)。下圖表示隨條件改變，氨氣的百分含量的變化趨勢(shì)。當(dāng)橫坐標(biāo)為壓