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文档介绍
2020版高中化学第2章第4节化学反应条件的优化——工业合成氨学案（含解析）鲁科版
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨[核心素养发展目标] 1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会责任：认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。一、合成氨反应的限度、速率1．合成氨反应的特点合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。(1)可逆性：反应为可逆反应。(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。(3)焓变：ΔH<0，熵变ΔS<0。(4)自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较条件提高反应速率提高平衡转化率综合结果压强高压高压高压温度高温低温兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性催化剂使用无影响使用浓度增大反应物浓度增大反应物浓度，降低生成物浓度增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度特别提示投料比：温度、压强一定时，N2与H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高；根据在特定条件下，v＝kc(N2)c1.5(H2)·c－1(NH3)，考虑到催化剂的实际效果，适当提高N2的比例，当N2与H2的物质的量之比为1∶2.8时更能加快合成氨反应的进行。例1 可逆反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g) ΔH<0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )A．升高温度，减小压强，增加氮气B．降低温度，增大压强，加入催化剂nC．升高温度，增大压强，增加氮气D．降低温度，增大压强，分离出部分氨答案 D解析 要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。考点 合成氨反应限度、速率分析题点 增大合成氨反应限度的措施例2 对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是( )A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用答案 C解析 对于化学反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。考点 合成氨反应限度、速率分析题点 增大合成氨反应限度和速率的措施二、工业合成氨的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。2．工业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(1×107～1×108Pa)温度适宜温度，700_K左右催化剂使用铁触媒做催化剂浓度N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去3.问题讨论(1)压强：目前我国合成氨厂一般采用的压强在1×107～1×108Pa，不采用更高压强的理由是：压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大n，因此选择压强时应符合实际科学技术。(2)温度：升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。②700_K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。例3 下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是( )A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率答案 B解析 催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件的理论解释合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离NH3后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。例4 已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH<0的实验数据如下表：温度不同压强下SO2的转化率(%)1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3(1)应选择的温度是________，理由是__________________________________________________________________________________________________________________。(2)应采用的压强是________，理由是_________________________________________________________________________________________________________________。(3)在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是____________________________。(4)生产中通入过量空气的目的是____________________________________________________________________________________________________________________。答案 (1)450℃ 该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；在450℃反应物转化率较高(2)1×105Pa 常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2n的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高(3)SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需要分离SO3(4)增大O2浓度、提高SO2的转化率考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件选择的迁移应用例5 (2018·苏州高二检测)Ⅰ.CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是__________________________________________________________。Ⅱ.在其他条件相同时，反应H3BO3＋3CH3OHB(OCH3)3＋3H2O中，H3BO3的转化率(α)在不同温度下随反应时间(t)的变化如图，由此图可得出：(1)温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是__________________________________________________________________________________________________________。(2)该反应ΔH________(填“＜”或“＞”)0。答案 Ⅰ.< 在250℃、1.3×104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低Ⅱ.(1)温度越高，化学反应速率越快，温度升高，平衡正向移动 (2)＞解析 Ⅰ.从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×104kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。Ⅱ.由图可知，随温度升高，曲线斜率增大，说明化学反应速率增大，同时H3BO3平衡转化率增大，说明升高温度，平衡正向移动，故反应的ΔH＞0。考点 工业合成氨适宜条件的选择n题点 工业合成氨适宜条件选择的迁移应用n1．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有( )①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3⑧使用催化剂A．②④⑤⑦B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤D．②③⑤⑧答案 C解析 根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；⑥条件下化学反应速率不变。从平衡移动角度分析：②⑤条件下化学平衡向右移动；⑧条件下化学平衡不移动。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 增大合成氨反应限度和速率的措施2．下列事实能用勒·夏特列原理解释的是( )A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．由H2(g)、I2(g)和HI(g)组成的平衡体系加压后颜色变深C．700K时比室温更有利于合成氨的反应D．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应答案 D解析 A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒·夏特列原理解释；C项，根据勒·夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取700K，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件的理论解释3．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是( )A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大答案 Bn解析 A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。考点 合成氨反应的限度速率分析题点 外界因素对合成氨正、逆反应速率的影响4．(2018·苏州高二检测)对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )选项ABCD研究结果压强对反应的影响温度对反应的影响平衡体系增加N2对反应的影响催化剂对反应的影响图示答案 C解析 A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。考点 合成氨反应的限度速率分析题点 合成氨反应的图像分析5．合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力(催化剂中毒)，因此，在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu(NH3)2Ac(aq)＋CO(g)＋NH3(g)[Cu(NH3)3CO]Ac(aq)(正反应为放热反应)。(1)醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是______________________。(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是____________。答案 (1)低温、高压 (2)高温、低压解析 (1)醋酸二氨合铜吸收CO的反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件选择的迁移应用n6．(2018·深圳中学高二月考)合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响。合成氨工业中原料气N2可以从空气中分离得到，H2可用甲烷或焦炭与水蒸气反应制得。(1)在一定容积的密闭容器中充入N2和H2两种气体，发生上述反应。在某温度下达到平衡时，各物质的浓度分别是：c(H2)＝9.00mol·L－1，c(N2)＝3.00mol·L－1，c(NH3)＝4.00mol·L－1，此温度下该反应的平衡常数K＝________。(2)在三个相同容器中各充入1molN2和3molH2，在不同条件下反应达到平衡，氨的体积分数随时间变化的曲线如图所示。下列说法中正确的是________(填字母)。A．图Ⅰ可能是不同压强对反应的影响，且p2＞p1B．图Ⅱ可能是不同压强对反应的影响，且p1＞p2C．图Ⅲ可能是不同温度对反应的影响，且T1＞T2D．图Ⅱ可能是同温同压下不同催化剂对反应的影响，且催化剂性能1＞2(3)将水蒸气通过红热的C即产生水煤气，化学方程式为C(s)＋H2O(g)===H2(g)＋CO(g) ΔH＝131.3kJ·mol－1，ΔS＝133.7J·mol－1·K－1。该反应在常温(298K)下________(填“能”或“不能”)自发进行。答案 (1)7.32×10－3mol·L－1 (2)D (3)不能解析 (1)K＝mol·L－1≈7.32×10－3mol·L－1。(2)压强越大，φ(NH3)越大，A错误；改变压强，φ(NH3)改变，B错误；温度越高，φ(NH3)越小，C错误；催化剂能增大反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不移动，D正确。(3)T＝298K时，ΔH－TΔS＝131.3kJ·mol－1－298K×0.1337kJ·mol－1·K－1≈91.46kJ·mol－1＞0，所以常温下反应不能自发进行。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 合成氨反应的限度、速率的综合题组一 合成氨反应适宜条件的选择1．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )nA．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④答案 B解析 ②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 增大合成氨反应限度的措施2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是( )A．不断将氨分离出来B．使用催化剂C．采用700K左右的高温而不是900K的高温D．采用2×107～5×107Pa的压强答案 B解析 把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度(700K)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应的进行，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 增大合成氨反应限度的措施3．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是( )A．从合成塔出来的混合气体中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高C．合成氨工业的反应温度控制在700K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件答案 B解析 合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择700K左右的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择20～50MPa，D项错误。n考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件的理论解释4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是( )A．铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间D．合成氨采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高答案 C解析 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强加快反应速率，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件选择的理论解释题组二 化工生产适宜条件的选择5．合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是( )①降低温度 ②增大压强 ③使用催化剂 ④增大CO的浓度 ⑤增大水蒸气的浓度A．①②③B．④⑤C．①⑤D．⑤答案 C解析 增大压强，平衡不移动；增大CO浓度，平衡向右移动，但CO转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO转化率不变；降低温度或增大水蒸气浓度，平衡均向右移动，CO转化率增大。考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件选择的迁移应用6．据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)下列叙述错误的是( )A．使用CuZnFe催化剂可大大提高生产效率B．反应需在300℃下进行可推测该反应是吸热反应C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率答案 B解析 B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。n考点 工业合成氨适宜条件的选择题点 工业合成氨适宜条件选择的迁移应用题组三 合成氨反应的图像题7．某密闭容器中发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是( )A．t2时加入催化剂B．t3时降低了温度C．t5时增大了压强D．t4～t5时间内转化率一定最低答案 A解析 合成氨反应前后气体物质的量减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动；t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；所以t6以后转化率最低。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 合成氨反应的图像分析8．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )A．c点处反应达到平衡B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同C．其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大D．a点的正反应速率比b点的小答案 Cn解析 A项，c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；B项，t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；C项，773K>673K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；D项，反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。考点 合成氨反应的限度、速率分析题点 合成氨反应的图像分析9．在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是( )A．改变条件后速率—时间图像如右图B．此过程中Q>KC．平衡体系中NH3的含量增大D．N2的转化率增大答案 D解析 分离出NH3，Q查看更多