第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨高中化學·選修4·魯科版[目標導航]

1.認識合成氨的化學原理。2.應用化學平衡和化學反應速率的有關知識選擇合成氨的條件。3.了解合成氨生產(chǎn)的主要流程。4.了解工業(yè)條件選擇的依據(jù)和原則。<

<

2．合成氨反應的特點

(1)能自發(fā)進行。

(2)正反應是

熱反應。

(3)正反應是氣體物質(zhì)的量

的反應。

(4)可逆反應。3．

溫度、

壓強有利于化學平衡向生成NH3的方向移動；在一定溫度、壓強下，反應物N2、H2的體積比為

時，平衡混合物中NH3的含量最高。

放減小降低增大1∶2.8二、合成氨反應的速率1．

N2或H2的濃度，減小NH3的濃度，都有利于提高合成氨反應的速率。2．

溫度有利于提高合成氨的速率。3．加入合適的催化劑能

合成氨反應的活化能，加快化學反應的速率。增大升高降低三、合成氨的適宜條件1．合成氨反應條件的選擇原則

(1)盡量增大反應物的

，充分利用原料；

(2)選擇較快的

，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量；

(3)考慮設備的要求和技術(shù)條件。轉(zhuǎn)化率化學反應速率低壓

中壓

高壓

越大

(2)溫度①適宜條件：

左右。②理論依據(jù)：該溫度下催化劑的活性

，反應速率比較快，氨的含量也相對較高。(3)催化劑適宜條件：以

為主的多成分催化劑。

700K最強鐵(4)濃度①適宜條件：N2和H2按物質(zhì)的量之比1∶2.8時混合，適時分離出

。②理論依據(jù)：適當提高

的濃度，來提高H2的轉(zhuǎn)化率。(5)其他為了提高原料的

，未反應的N2和H2循環(huán)使用并及時補充N2和H2。

氨氣N2利用率1．(選一選)

下列有關合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理來解釋的是(

) A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨

B．高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應

C．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應

D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率答案B解析催化劑不影響平衡移動；合成氨采用500℃是綜合考慮反應速率和轉(zhuǎn)化率及催化劑的活性溫度；采用循環(huán)操作與平衡移動無關。(2)溫度越低越利于合成氨平衡正向移動，工業(yè)合成氨采用700K，不采用低溫操作的理由是溫度低時反應速率小，單位時間內(nèi)NH3的產(chǎn)量低。

(3)試分析實際生產(chǎn)中采取700K左右的溫度的原因是溫度升高，不利于提高反應物的轉(zhuǎn)化率，溫度過低，反應速率小，單位時間內(nèi)NH3的產(chǎn)量低。并且在此溫度時，催化劑的活性最大。

(4)壓強越大越有利于合成氨平衡正向移動和提高反應速率，而實際采用的最高壓強為8.5×107～1×108Pa，不采用更高的壓強，其原因是：實際生產(chǎn)中，應根據(jù)反應設備可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標來選擇壓強。采用更高的壓強，對設備和材料的要求越高，需要的動力越大，會增加投資和能量消耗，不經(jīng)濟。3．(填一填)在容積相同的四個容器中，按下列要求充入各氣體，并加入適當?shù)拇呋瘎?，?73K時分別建立平衡，四種情況下H2的轉(zhuǎn)化率由大到小的順序是________。 ①1molN2＋3molH2

②2molN2＋3molH2 ③1molN2＋4molH2

④1molN2＋4molH2＋0.5molNH3

答案②＞①＞③＞④解析②是在①中增加N2，故H2的轉(zhuǎn)化率增大，即②＞①。③是在①中增加H2，故H2的轉(zhuǎn)化率減小，即①＞③。而④是在③基礎上增加氨，平衡向逆反應方向移動，H2的轉(zhuǎn)化率變小，有③＞④。由此可知H2的轉(zhuǎn)化率由大到小的順序為②＞①＞③＞④。工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路1．分析化學反應的特點：從可逆性、反應前后氣體系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€角度分析。2．根據(jù)反應特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響。3．從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮實際情況，選出適宜的外界條件。外界條件有利于加快反應速率的控制有利于平衡移動條件的控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應物濃度增大反應物濃度、減小生成物濃度不斷補充反應物、及時分離出生成物壓強高壓(有氣體參加)ΔV<0高壓設備條件允許的前提下，盡量采取高壓ΔV>0低壓兼顧速率和平衡、選取適宜的壓強溫度高溫ΔH<0低溫兼顧速率和平衡、考慮催化劑的適宜溫度ΔH>0高溫在設備條件允許的前提下，盡量采取高溫并選取催化劑催化劑加合適的催化劑無影響加合適的催化劑，考慮催化劑活性與溫度關系[關鍵提醒]

對化工生產(chǎn)中的化學反應條件進行優(yōu)化選擇時，要運用反應速率與化學平衡移動原理，同時考慮生產(chǎn)中的設備材料、動力要求、催化劑等因素。

【例1】關于工業(yè)合成氨的敘述中，錯誤的是(

)A．在動力、設備、材料允許的情況下，反應盡可能在高壓下進行B．溫度越高越有利于工業(yè)合成氨C．在工業(yè)合成氨中N2、H2的循環(huán)利用可提高其利用率，降低成本D．及時從反應體系中分離出氨氣有利于平衡向正反應方向移動答案B解析合成氨的反應為放熱反應，溫度越高，NH3的產(chǎn)率越低，溫度太高會影響催化劑的催化效果。p/PaT/℃

1×1055×1051×1065×1061×10745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)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____________________________________。(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_______________________。答案：(1)低溫、高壓(2)該溫度是催化劑的活性最強的溫度，選擇此溫度可提高反應速率，縮短反應達到平衡所需要的時間(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，對設備及動力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不經(jīng)濟(4)增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高SO2的轉(zhuǎn)化率(5)減少對環(huán)境的污染解析：從提高反應