高中化學(xué)第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨說課ppt課件

這是一份高中化學(xué)第4節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨說課ppt課件，共60頁。PPT課件主要包含了必備知識自主預(yù)習(xí)，反應(yīng)特點，催化劑，反應(yīng)速率，反應(yīng)限度，轉(zhuǎn)化率，合成氨的適宜條件，700K，∶28，關(guān)鍵能力情境探究等內(nèi)容，歡迎下載使用。
1．結(jié)合生產(chǎn)實例，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．能運用溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實驗室中的實際問題。
1．勒·夏特列原理(1)含義：如果改變平衡體系的一個條件(如溫度、濃度或壓強(qiáng))，平衡將向減弱這個改變的方向移動。(2)注意：①勒·夏特列原理的適用對象是可逆過程。②化學(xué)平衡移動的目的是“減弱”外界條件的改變，而不是“抵消”外界條件的改變。2．K值的大小只能預(yù)示某可逆反應(yīng)向某方向進(jìn)行的最大限度，不能預(yù)測反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時間。當(dāng)平衡常數(shù)數(shù)值大于105時，可以認(rèn)為反應(yīng)進(jìn)行完全。
一、合成氨反應(yīng)的限度1．反應(yīng)原理N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·ml-1 ， ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1。
3．影響因素(1)外界條件：______溫度、______壓強(qiáng)，有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動。(2)投料比：溫度、壓強(qiáng)一定時，N2、H2的體積比為______ 時平衡混合物中氨的含量最高。
練一練　已知298 K時，N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·ml-1，ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1，請通過計算說明298 K時合成氨反應(yīng)能否正向自發(fā)進(jìn)行？
[答案]　ΔH－TΔS＝－92.2×103 J·ml-1－298 K×(－198.2 J·ml-1·K-1)＝－92.2×103 J·ml-1＋59 063.6 J·ml-1＝－33 136.4 J·ml-1＜ 0，即298 K時合成氨反應(yīng)能正向自發(fā)進(jìn)行。
二、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：______N2或H2的濃度，______NH3的濃度，都有利于提高合成氨反應(yīng)的速率。
判一判　(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)升高溫度，對合成氨的正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大。(　　)(2)增大壓強(qiáng)，對合成氨的正反應(yīng)的反應(yīng)速率影響更大。(　　)(3)加入催化劑，對合成氨的正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率影響程度相同。(　　)
三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件1．合成氨反應(yīng)適宜條件分析工業(yè)生產(chǎn)中，必須從__________和__________兩個角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應(yīng)物的________，充分利用原料，又要選擇較快的反應(yīng)速率，提高單位時間內(nèi)的______，同時還要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。
3．合成氨生產(chǎn)流程的三階段
判一判　(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)從合成塔出來的混合氣體，NH3的含量較小，所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低。(　　)(2)合成氨廠采用的壓強(qiáng)是2×107～3×107 Pa，因為在該壓強(qiáng)下鐵催化劑的活性最大。(　　)
數(shù)據(jù)分析：外界條件對合成氨反應(yīng)的影響
工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則
1．壓強(qiáng)一定時，升高溫度，對氨的合成有何影響？
提示：壓強(qiáng)一定，升高溫度，氨的含量降低；反應(yīng)速率增大。
2．溫度一定時，增大壓強(qiáng)，對氨的合成有何影響？
提示：溫度一定，增大壓強(qiáng)，氨的含量增大；反應(yīng)速率增大。
3．已知：N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·ml-1，K＝6.6×105(ml·L-1)-2，思考：(1)從平衡常數(shù)來看，反應(yīng)的限度已經(jīng)很大了，為什么還需要使用催化劑？(2)試分析實際工業(yè)生產(chǎn)中采取700 K左右的溫度的原因。
提示：(1)為了加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高單位時間內(nèi)NH3的產(chǎn)量。(2)在此溫度時，催化劑的活性最大。
1．工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：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，再充分考慮實際情況，選出適宜的外界條件。
2．工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的具體分析
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(　　)A．升高溫度，減小壓強(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
D　[本題要求增大合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率，即在不增加氫氣的情況下改變條件，使平衡正向移動。因合成氨是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，降低溫度平衡正向移動，故A、C項錯誤；加入催化劑可加快反應(yīng)速率，但對平衡移動無影響，B項錯誤；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)會使平衡向正反應(yīng)方向移動，增加反應(yīng)物濃度或減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度會使平衡向正反應(yīng)方向移動，D項正確。]
2．(雙選)在一定條件下，對于在密閉容器中進(jìn)行的合成氨的反應(yīng)，下列說法正確的是(　　)A．當(dāng)?shù)獨夂蜌錃馔读媳?物質(zhì)的量之比)約為1∶3時，達(dá)到平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)最大B．增加催化劑的接觸面積，不可能提高合成氨工廠的年產(chǎn)量C．反應(yīng)達(dá)到平衡時，氫氣和氨的濃度比一定為 3∶2D．分別用氮氣和氫氣來表示合成氨反應(yīng)的反應(yīng)速率時，數(shù)值大小不相同
AD　[當(dāng)?shù)獨夂蜌錃馔读媳燃s為1∶3時，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，兩種原料的轉(zhuǎn)化率相同，故達(dá)到平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)最大，A正確；增加催化劑的接觸面積，加快反應(yīng)速率，可以提高合成氨工廠的年產(chǎn)量，B錯誤；反應(yīng)達(dá)到平衡時，H2和NH3的濃度比不一定為3∶2，C錯誤；同一反應(yīng)中，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式中對應(yīng)物質(zhì)的系數(shù)之比，因氮氣和氫氣的系數(shù)不同，則反應(yīng)速率的數(shù)值不同，D正確。]
[教材　化學(xué)與技術(shù)]合成氨對人類的生存和發(fā)展有著重要意義，1909年哈伯在實驗室中首次利用氮氣與氫氣反應(yīng)合成氨，實現(xiàn)了人工固氮。(1)化學(xué)家證實了氫氣與氮氣在固體催化劑表面合成氨的過程，示意圖如下：
下列說法正確的是______(填字母)。a．①表示N2、H2分子中均是單鍵b．該過程表示了化學(xué)變化中包含舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的形成c．③→④需要吸收能量d．②→③需要吸收能量
(2)已知N2(g)＋O2(g)??2NO(g)　K(298 K)＝5×10-31；N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　K(298 K)＝4.1×106 ml-2·L2，請分析工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣與氧氣反應(yīng)固氮的原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
在298 K時，氮氣與氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮氣與氧氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值，氮氣與氫氣反應(yīng)正向進(jìn)行的程度大
(3)對于反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)，在一定條件下氨的平衡含量如下表。
哈伯選用的條件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是______________________________________________________________ (提示：溫度會影響催化劑的活性)。
在該條件下催化劑的活性最高，可以提高合成氨的化學(xué)
[解析]　(1)N2分子中N原子之間是三鍵，H2分子中H原子之間是單鍵，a錯誤；由圖示可知，②→③表示N≡N鍵和H－H鍵的斷裂，③→④表示N－H鍵的形成，b正確；③→④是化學(xué)鍵的形成過程，釋放能量，c錯誤；②→③是化學(xué)鍵的斷裂過程，需要吸收能量，d正確。(2)平衡常數(shù)越大，化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的程度越大，即反應(yīng)的限度越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越大。由所給數(shù)據(jù)可知，在298 K時，氮氣與氫氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮氣與氧氣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值，因此，工業(yè)上選用氮氣與氫氣反應(yīng)固氮，而沒有選用氮氣與氧氣反應(yīng)固氮。
(3)在工業(yè)生產(chǎn)中，注重的是生產(chǎn)效率，而化學(xué)反應(yīng)速率決定了生產(chǎn)效率，哈伯選用的條件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是在該條件下催化劑的活性最高，可以提高合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率。
工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的分析思路(1)既要注意外界條件對反應(yīng)影響的一致性，又要注意外界條件對反應(yīng)影響的矛盾性。(2)既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致性，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，又要注意實際操作上的可能性。
1．在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，實施的下列措施與平衡移動無關(guān)的是(　　)A．不斷將氨分離出來B．使用催化劑C．采用700 K左右的高溫而不是900 K的高溫D．采用2×107～5×107 Pa的壓強(qiáng)
B　[把氨分離出來是減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度，有利于平衡右移，合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，相對較低溫度 (700 K)利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，同時該反應(yīng)是氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，盡可能采取高壓利于正反應(yīng)的進(jìn)行，A、C、D都符合平衡移動原理，而使用催化劑僅是為增大反應(yīng)速率，與平衡無關(guān)。]
2．已知工業(yè)上常用石灰乳吸收尾氣中的NO和NO2，涉及的反應(yīng)為NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾氣中NO和NO2去除率的是(　　)A．加快通入尾氣的速率B．用石灰水替代石灰乳C．適當(dāng)補(bǔ)充O2D．使用合適的催化劑
C　[通入尾氣的速率加快，可能導(dǎo)致氣體吸收不充分，尾氣中NO和NO2去除率降低，A不符合題意；用石灰水替代石灰乳，溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量減小，吸收效果變差，尾氣中NO和NO2去除率降低，B不符合題意；適當(dāng)補(bǔ)充O2，可將尾氣中過量的NO氧化為NO2被吸收，從而提高尾氣中NO和NO2去除率，C符合題意；使用催化劑只能加快反應(yīng)速率，不能使平衡發(fā)生移動，不能提高尾氣中NO和NO2去除率，D不符合題意。]
3．合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。對于密閉容器中的反應(yīng)N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH673 K，工業(yè)合成氨為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動，氫氣的物質(zhì)的量增大，C項正確；反應(yīng)達(dá)到平衡前，a點反應(yīng)物濃度大于 b點反應(yīng)物濃度，因此 a點的正反應(yīng)速率比 b點的大，D項錯誤。]
4．(雙選)合成氨反應(yīng)：N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·ml-1，在反應(yīng)過程中，正反應(yīng)速率的變化如圖。下列說法正確的是(　　)
A．t1時升高了溫度　B．t2時使用了催化劑C．t3時減小了壓強(qiáng) D．t4時降低了溫度
BC　[t1時正反應(yīng)速率增大，隨后逐漸減小，說明正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，平衡正向移動，應(yīng)為增大壓強(qiáng)，A項錯誤；t2時，平衡不移動，說明正、逆反應(yīng)速率同等程度增大，應(yīng)使用了催化劑，B項正確；t3時正反應(yīng)速率減小，隨后逐漸增大，說明逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率，平衡逆向移動，為減小壓強(qiáng)，C項正確；t4時正反應(yīng)速率瞬間不變，然后減小，應(yīng)為減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度，D項錯誤。]
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) 　　　2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·ml-1。已知制SO3過程中催化劑是V2O5，它在400～500 ℃時催化效果最好。下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)：
(1)根據(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)采取的條件是________________________________。(2)實際生產(chǎn)中，選定400～500 ℃作為操作溫度，其原因是_______________________________________________________。(3)實際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是_______________________________________________________________________________。(5)尾氣中有SO2必須回收是為了___________________________。
常壓、450 ℃、催化劑
在此溫度下催化劑的活性最高
在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5%)，若采用高壓，平衡能向右移動，但效果并不明顯，比起高壓設(shè)備，得不償失
增大反應(yīng)物O2的濃度，
(選擇題只有一個選項符合題目要求)1．在合成氨時，要使氨的產(chǎn)率增大，又要使化學(xué)反應(yīng)速率增大，可以采取的措施有(　　)①增大體積使壓強(qiáng)減小?、跍p小體積使壓強(qiáng)增大?、凵邷囟取、芙档蜏囟取、莺銣睾闳?，再充入N2和H2?、藓銣睾銐海俪淙隢2?、呤褂么呋瘎〢．②④⑤⑦　　 B．②③④⑤⑦　　C．②⑤　　D．②③⑤
課時分層作業(yè)(十六)　化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨
C　[①⑥平衡逆向移動，反應(yīng)速率減小，氨的產(chǎn)率減小，不選；②⑤平衡正向移動，反應(yīng)速率增大，氨的產(chǎn)率增大，選；③氨的產(chǎn)率減小，不選；④反應(yīng)速率減小，不選；⑦氨的產(chǎn)率不變，不選。]
2．合成氨廠所需H2可由焦炭與水反應(yīng)制得，其中有一步反應(yīng)為CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)　ΔHtc，C項錯誤；N點時氨的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)為20%，利用三段式，設(shè)N2的平衡轉(zhuǎn)化率是b，N2的起始濃度為a，
11．甲醇是一種重要的試劑，氫氣和二氧化碳在一定條件下可合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)，在密閉容器中充入3 ml氫氣和1 ml二氧化碳，測得混合氣體中甲醇的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖1所示：
試回答下列問題：(1)該反應(yīng)是________(填“放熱”或“吸熱”)反應(yīng)。該反應(yīng)平衡常數(shù)的表達(dá)式是 ，為了降低合成甲醇的成本可采用的措施是__________________________(任意寫一條合理的建議)。(2)解釋O～T0內(nèi)，甲醇的體積分?jǐn)?shù)變化趨勢：_____________________________________________________________________________。(3)氫氣在Q點的轉(zhuǎn)化率________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氫氣在W點的轉(zhuǎn)化率；其他條件相同，甲醇在Q點的正反應(yīng)速率________甲醇在M點的正反應(yīng)速率。
未達(dá)到平衡，反應(yīng)正向進(jìn)行，使甲醇的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大