化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨高中化學(xué)·選修4·魯科版 課件

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨高中化學(xué)·選修4·魯科版[目標(biāo)導(dǎo)航]

1.認(rèn)識(shí)合成氨的化學(xué)原理。2.應(yīng)用化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識(shí)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(yīng)的特點(diǎn)

(1)能自發(fā)進(jìn)行。

(2)正反應(yīng)是

熱反應(yīng)。

(3)正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量

的反應(yīng)。

(4)可逆反應(yīng)。3．

溫度、

壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)；在一定溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物N2、H2的體積比為

時(shí)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速率。增大升高降低三、合成氨的適宜條件1．合成氨反應(yīng)條件的選擇原則

(1)盡量增大反應(yīng)物的

，充分利用原料；

(2)選擇較快的

，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量；

(3)考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)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(yīng)速率比較快，氨的含量也相對(duì)較高。(3)催化劑適宜條件：以

為主的多成分催化劑。

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

。②理論依據(jù)：適當(dāng)提高

的濃度，來(lái)提高H2的轉(zhuǎn)化率。(5)其他為了提高原料的

，未反應(yīng)的N2和H2循環(huán)使用并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2。

氨氣N2利用率1．(選一選)

下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理來(lái)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(yīng)

C．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)

D．合成氨時(shí)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(dòng)；合成氨采用500℃是綜合考慮反應(yīng)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(dòng)無(wú)關(guān)。(2)溫度越低越利于合成氨平衡正向移動(dòng)，工業(yè)合成氨采用700K，不采用低溫操作的理由是溫度低時(shí)反應(yīng)速率小，單位時(shí)間內(nèi)NH3的產(chǎn)量低。

(3)試分析實(shí)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(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，溫度過(guò)低，反應(yīng)速率小，單位時(shí)間內(nèi)NH3的產(chǎn)量低。并且在此溫度時(shí)，催化劑的活性最大。

(4)壓強(qiáng)越大越有利于合成氨平衡正向移動(dòng)和提高反應(yīng)速率，而實(shí)際采用的最高壓強(qiáng)為8.5×107～1×108Pa，不采用更高的壓強(qiáng)，其原因是：實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)設(shè)備可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)。采用更高的壓強(qiáng)，對(duì)設(shè)備和材料的要求越高，需要的動(dòng)力越大，會(huì)增加投資和能量消耗，不經(jīng)濟(jì)。3．(填一填)在容積相同的四個(gè)容器中，按下列要求充入各氣體，并加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，?73K時(shí)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(chǔ)上增加氨，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，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?yàn)棰冢劲伲劲郏劲堋９I(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的思路1．分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)：從可逆性、反應(yīng)前后氣體系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析。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。3．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反應(yīng)速率的控制有利于平衡移動(dòng)條件的控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度不斷補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)分離出生成物壓強(qiáng)高壓(有氣體參加)ΔV<0高壓設(shè)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(qiáng)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(shè)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(wú)影響加合適的催化劑，考慮催化劑活性與溫度關(guān)系[關(guān)鍵提醒]

對(duì)化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化選擇時(shí)，要運(yùn)用反應(yīng)速率與化學(xué)平衡移動(dòng)原理，同時(shí)考慮生產(chǎn)中的設(shè)備材料、動(dòng)力要求、催化劑等因素。

【例1】關(guān)于工業(yè)合成氨的敘述中，錯(cuò)誤的是(

)A．在動(dòng)力、設(shè)備、材料允許的情況下，反應(yīng)盡可能在高壓下進(jìn)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(shí)從反應(yīng)體系中分離出氨氣有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)答案B解析合成氨的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，NH3的產(chǎn)率越低，溫度太高會(huì)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(shí)際生產(chǎn)中，選定400～500℃作為操作溫度，其原因是__________________________________________________。(3)實(shí)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(guò)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(qiáng)的溫度，選擇此溫度可提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間(3)因?yàn)樵诔合拢?00～500℃時(shí)，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不經(jīng)濟(jì)(4)增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動(dòng)，提高SO2的轉(zhuǎn)化率(5)減少對(duì)環(huán)境的污染解析：從提高反應(yīng)