2024-2025學(xué)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)案魯科版選擇性必修1

PAGEPAGE7第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化—工業(yè)合成氨發(fā)展目標(biāo)體系構(gòu)建1.結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，探討化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，形成從限度、速率、能耗的多角度綜合調(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實(shí)力。2.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)律說明生產(chǎn)、生活、試驗(yàn)室中的實(shí)際問題。1．合成氨反應(yīng)的限度(1)反應(yīng)原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。(2)反應(yīng)特點(diǎn)(3)影響因素①外界條件：降低溫度、增大壓強(qiáng)，有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。②投料比：溫度、壓強(qiáng)肯定時(shí)，N2、H2的體積比為1∶3時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。微點(diǎn)撥：合成氨反應(yīng)中，為了提高原料轉(zhuǎn)化率，常采納將未能轉(zhuǎn)化的N2、H2循環(huán)運(yùn)用的措施。2．合成氨反應(yīng)的速率(1)提高合成氨反應(yīng)速率的方法(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)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的濃度，減小NH3的濃度，都有利于提高合成氨反應(yīng)的速率。微點(diǎn)撥：溫度上升k值增加，會(huì)加快反應(yīng)速率；同時(shí)加入合適的催化劑能降低合成氨反應(yīng)的活化能，使合成氨反應(yīng)的速率提高。3．合成氨生產(chǎn)的相宜條件(1)合成氨反應(yīng)相宜條件分析工業(yè)生產(chǎn)中，必需從反應(yīng)速率和反應(yīng)限度兩個(gè)角度選擇合成氨的相宜條件，既要考慮盡量增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料，又要選擇較快的反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量，同時(shí)還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。(2)合成氨的相宜條件序號(hào)影響因素選擇條件1溫度反應(yīng)溫度限制在700_K左右2物質(zhì)的量N2、H2投料比1∶2.83壓強(qiáng)1×107～1×108Pa4催化劑選擇鐵做催化劑5濃度使氣態(tài)NH3變成液態(tài)NH3并剛好分別出去，同時(shí)補(bǔ)充N2、H2(3)合成氨的生產(chǎn)流程的三階段1．推斷對(duì)錯(cuò)(對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“√”，錯(cuò)的在括號(hào)內(nèi)打“×”。)(1)合成氨反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行。()(2)溫度越高越利于合成氨反應(yīng)平衡正向移動(dòng)。()(3)合成氨反應(yīng)中，壓強(qiáng)越大越利于反應(yīng)速率加快和平衡正向移動(dòng)。()(4)運(yùn)用催化劑能提高合成氨反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率。()提示：(1)×合成氨反應(yīng)ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS的值在低溫時(shí)小于0。(2)×合成氨反應(yīng)ΔH＜0，溫度越低越利于平衡正向移動(dòng)。(3)√(4)×催化劑同倍數(shù)的加快正、逆反應(yīng)速率，對(duì)轉(zhuǎn)化率無影響。2．在其他條件不變的狀況下，能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是()A．上升溫度 B．減小壓強(qiáng)C．運(yùn)用催化劑 D．剛好分別出氨氣D[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。上升溫度，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；運(yùn)用催化劑，平衡不移動(dòng)，合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度不發(fā)生變更，C項(xiàng)不符合題意；剛好分別出氨氣，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．工業(yè)上用氮?dú)夂蜌錃夂铣砂保篘2＋3H2eq\o(,\s\up8(催化劑),\s\do9(高溫、高壓))2NH3(反應(yīng)放熱)，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面看，合成氨的相宜條件一般為壓強(qiáng)：10～30MPa，溫度：500℃左右，催化劑：鐵觸媒。下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述不正確的是()A．運(yùn)用鐵觸媒，可使氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w之間的反應(yīng)在較低溫度下取得較高的反應(yīng)速率B．工業(yè)上選擇上述條件下合成氨，可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C．上述化學(xué)平衡的移動(dòng)受到溫度、反應(yīng)物的濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D．溫度上升，不利于提高氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率B[合成氨的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率不行能達(dá)到100%，B項(xiàng)錯(cuò)誤。]工業(yè)生產(chǎn)中選擇相宜生產(chǎn)條件的原則(素養(yǎng)養(yǎng)成——科學(xué)看法與社會(huì)責(zé)任)1．試驗(yàn)探討表明，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)·c－1(NH3)，請(qǐng)你依據(jù)該關(guān)系式分析，各物質(zhì)的濃度對(duì)反應(yīng)速率有哪些影響？可以實(shí)行哪些措施來提高反應(yīng)速率？提示：由合成氨反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率公式可知，在肯定溫度、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，與反應(yīng)產(chǎn)物濃度[c(NH3)]成反比關(guān)系。由此在肯定溫度、壓強(qiáng)下，可實(shí)行增大反應(yīng)物濃度、減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度來提高化學(xué)反應(yīng)速率。另外還可實(shí)行上升溫度，運(yùn)用合適的催化劑降低反應(yīng)活化能來加快反應(yīng)速率。2．已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH(298K)＝－92.2kJ·mol－1，K＝6.6×105(mol·L－1)－2，思索：(1)從平衡常數(shù)來看，反應(yīng)的限度已經(jīng)很大了，為什么還須要運(yùn)用催化劑？(2)試分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)行700K左右的溫度的緣由。提示：(1)為了加快化學(xué)反應(yīng)的速率，提高單位時(shí)間內(nèi)NH3的產(chǎn)量。(2)在此溫度時(shí)，催化劑的活性最大。1．從可逆性、反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)的變更、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。2．依據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)詳細(xì)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)際狀況，選出相宜的外界條件。外界條件有利于加快速率的條件限制有利于平衡正向移動(dòng)的條件限制綜合分析結(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，剛好地分別出反應(yīng)產(chǎn)物催化劑加合適的催化劑不須要加合適的催化劑溫度高溫ΔH＜0低溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的相宜溫度ΔH＞0高溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量實(shí)行高溫并考慮催化劑的活性壓強(qiáng)高壓(有氣體參與)Δvg＜0高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量實(shí)行高壓Δvg＞0低壓兼顧速率和平衡，選取相宜的壓強(qiáng)【例題】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(xiàng)中采納的三種方法都正確的是()A．上升溫度，減小壓強(qiáng)，增加氮?dú)釨．降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑C．上升溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)釪．降低溫度，增大壓強(qiáng)，分別出部分氨D[本題要求增大合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率，即在不增加氫氣的狀況下變更條件，使平衡正向移動(dòng)。因合成氨是放熱反應(yīng)，上升溫度平衡逆向移動(dòng)，降低溫度平衡正向移動(dòng)，故A、C項(xiàng)錯(cuò)誤；加入催化劑可加快反應(yīng)速率，但對(duì)平衡移動(dòng)無影響，B項(xiàng)錯(cuò)誤；因合成氨的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)會(huì)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，增加反應(yīng)物濃度或減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度會(huì)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，D項(xiàng)正確。][借題發(fā)揮](1)既然增大壓強(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)既然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？(3)在合成氨工業(yè)中要運(yùn)用催化劑，既然催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，為什么還要運(yùn)用呢？[答案](1)不是。因?yàn)闇囟瓤隙〞r(shí)，增大混合氣體的壓強(qiáng)對(duì)合成氨的速率和平衡都有利，但壓強(qiáng)越大須要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的壓強(qiáng)和設(shè)備的制造要求越高，一般采納2×107～5×107Pa(2)不是。因?yàn)閺钠胶獾慕嵌瓤紤]，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應(yīng)速率很慢，須要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡，很不經(jīng)濟(jì)，所以實(shí)際生產(chǎn)中，采納500℃(3)為了加快反應(yīng)速率，采納以鐵為主的催化劑。1．工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，該反應(yīng)應(yīng)實(shí)行的相宜條件是()A．低溫、高壓、催化劑B．相宜的溫度、高壓、催化劑C．低溫、常壓、催化劑D．相宜的溫度和壓強(qiáng)、催化劑D[降溫，平衡右移，但反應(yīng)速率太慢，從反應(yīng)速率和催化劑的活性考慮，溫度選在500℃2．有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中，正確的是()A．增大H2的濃度，可提高H2的轉(zhuǎn)化率B．由于氨易液化，N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中是循環(huán)運(yùn)用，所以總體來說氨的產(chǎn)率很高C．合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度限制在500℃，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D．合成氨廠采納的壓強(qiáng)是2×107～5×107Pa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大B[A項(xiàng)，增大H2的濃度，H2的轉(zhuǎn)化率減?。籆項(xiàng)，溫度限制在500℃的目的是催化劑活性最大；D項(xiàng)，壓強(qiáng)采納2×107～5×1073．某工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生反應(yīng)：2A(g)＋B(g)2M(g)ΔH<0。下列有關(guān)該工業(yè)生產(chǎn)的說法正確的是()A．工業(yè)上合成M時(shí)，肯定采納高壓條件，因?yàn)楦邏河欣贛的生成B．若物質(zhì)B價(jià)廉易得，工業(yè)上一般采納加入過量的B以提高A和B的轉(zhuǎn)化率C．工業(yè)上一般采納較高溫度合成M，因溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高D．工業(yè)生產(chǎn)中常采納催化劑，因?yàn)樯a(chǎn)中運(yùn)用催化劑可提高M(jìn)的日產(chǎn)量D[工業(yè)上合成M可能采納常壓，如H2SO4工業(yè)中SO3的生成；加入過量B只能提高A的轉(zhuǎn)化率，B的轉(zhuǎn)化率降低；溫度上升，平衡逆向移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低；運(yùn)用催化劑可降低反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率。]1．有平衡體系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH<0，為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量，應(yīng)實(shí)行的正確措施是()A．高溫、高壓B．相宜溫度、高壓、催化劑C．低溫、低壓D．高溫、高壓、催化劑B[該反應(yīng)是一個(gè)正向放熱，氣體體積減小的反應(yīng)，為增加甲醇的產(chǎn)量，需平衡正向移動(dòng)，理論上可采納低溫、高壓的方式，但在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮反應(yīng)速率，設(shè)備承受的壓力及催化劑的活性等因素的影響。]2．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的說法正確的是()A．N2的量越多，H2的轉(zhuǎn)化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B．恒容條件下充入稀有氣體有利于NH3的合成C．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵增加的放熱反應(yīng)，在任何溫度下都可自發(fā)進(jìn)行D．工業(yè)合成氨的反應(yīng)是熵減小的放熱反應(yīng)，在常溫時(shí)可自發(fā)進(jìn)行D[A項(xiàng)，投料比為n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8時(shí)，更有利于NH3的合成；B項(xiàng)，恒容條件下，充入稀有氣體對(duì)平衡無影響；C、D項(xiàng)，ΔH－TΔS＜0時(shí)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，而合成氨反應(yīng)的ΔH＜0、ΔS＜0，故在常溫條件下該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。]3．在合成氨工業(yè)中，要使氨的產(chǎn)率增大，同時(shí)又能提高化學(xué)反應(yīng)速率，可實(shí)行的措施有()①增大容器體積使壓強(qiáng)減?、跍p小容器體積使壓強(qiáng)增大③上升溫度④降低溫度⑤恒溫恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒溫恒壓，再充入等量的N2和H2⑦剛好分別產(chǎn)生的NH3⑧運(yùn)用催化劑A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．①②③⑤⑧C[從反應(yīng)速率的角度分析，①④⑦均使化學(xué)反應(yīng)速率降低，②③⑤⑧均使化學(xué)反應(yīng)速率上升，⑥不影響化學(xué)反應(yīng)速率。從平衡移動(dòng)的角度分析，②⑤使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，使氨的產(chǎn)率增大，⑧不影響化學(xué)平衡，③使化學(xué)平衡向左移動(dòng)。]4．(雙選)合成氨工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。對(duì)于密閉容器中的反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)隨時(shí)間的變更關(guān)系如圖所示。下列說法正確的是()A．c點(diǎn)處反應(yīng)未達(dá)到平衡B．d點(diǎn)(t1時(shí)刻)和e點(diǎn)(t2時(shí)刻)處n(N2)不同C．其他條件不變，773K下反應(yīng)至t1時(shí)刻，n(H2)比圖中的d點(diǎn)的值要大D．a(chǎn)點(diǎn)的正反應(yīng)速率比b點(diǎn)的小AC[A項(xiàng)，c點(diǎn)是氫氣和氨氣物質(zhì)的量相等的點(diǎn)，該點(diǎn)以后，氫氣的量還在削減，氨氣的量還在增加，故c點(diǎn)沒有達(dá)到平衡，A項(xiàng)正確。B項(xiàng)，t1和t2兩個(gè)時(shí)刻反應(yīng)均處于平衡狀態(tài)，體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量不再變更，故d、e兩點(diǎn)氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量相等，B項(xiàng)錯(cuò)誤。773K＞673K，工業(yè)合成氨為放熱反應(yīng)，上升溫度，平衡逆向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量增大，C項(xiàng)正確。在反應(yīng)達(dá)到平衡前，a點(diǎn)反應(yīng)物濃度大于b點(diǎn)，因此a點(diǎn)的正反應(yīng)速率比b點(diǎn)的大，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]5．(素養(yǎng)題)在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up8(催化劑),\s\do9(△))2SO3(g)ΔH＝－198kJ·mol－1。(已知制SO3過程中催化劑是V2O5，它在400～500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)：壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化率溫度1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa45097.5%99.2%99.6%99.7%55085.6%94.9%97.7%98.3%(1)依據(jù)化學(xué)原理綜合分析，從化學(xué)反應(yīng)速率和原料轉(zhuǎn)化率角度分析，生產(chǎn)中應(yīng)實(shí)行的條件是______________________________________________________。(2)實(shí)際生產(chǎn)中，選定400～500℃(3)實(shí)際生產(chǎn)中，采納的壓強(qiáng)為常壓，其緣由是_________________________________________________________________________________________。(4)在生產(chǎn)中，通入過量空氣