高中化學第2章化學反應的方向、限度與速率第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨教學案魯科版選修4

PAGEPAGE4第4節(jié)化學反應條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨[課標要求]1．了解如何應用化學反應速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件。2．了解應用化學反應原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗實際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異。3．認識化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。,1．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1。理論上增大反應物濃度和增大壓強及時分離出NH3及降低溫度有利于氨氣的合成。2．升高溫度，增大壓強，加入合適催化劑能提高化學反應速率。3．結合實際生產(chǎn)，合成氨一般選擇鐵做催化劑，控制反應溫度700K左右，高壓且n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。eq\a\vs4\al(合成氨反應的限度)1．反應原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)298K時，ΔH＝－92.2kJ·mol－1ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。2．反應特點合成氨反應是一個能自發(fā)進行的、放熱的、氣體體積減小的可逆反應。3．有利于氨生成的措施(1)降低溫度、增大壓強有利于化學平衡向生成氨的方向移動。(2)在一定的溫度和壓強下，反應物中N2和H2的體積比為1∶3時平衡混合物中氨的含量最高。1．下列有關合成氨工業(yè)的敘述，可用勒·夏特列原理解釋的是()A．使用鐵觸媒，有利于N2和H2反應合成氨B．高壓比常壓條件更有利于合成氨反應C．500℃左右比室溫更有利于合成氨反應D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率解析：選B催化劑不影響平衡移動；合成氨反應的正反應是氣體分子數(shù)減小的反應，高壓條件有利于平衡正向移動；工業(yè)合成氨采用500℃是綜合考慮反應速率、轉化率及催化劑的活性溫度后確定的；采用循環(huán)操作與平衡移動無關。2．利用原料氣在合成塔中合成氨時，為提高N2的轉化率所采取的措施是()A．高溫 B．高壓C．使用催化劑 D．增大N2的濃度解析：選B提高N2的轉化率應使平衡向右移動，使用催化劑對平衡無影響，升高溫度平衡向左移動，高壓和增大N2的濃度平衡向右移動，但增大N2的濃度，N2的轉化率會降低。eq\a\vs4\al(合成氨反應的速率及適宜條件的選擇)1．外界條件對速率的影響(1)濃度在特定條件下，合成氨反應的速率與參加反應的物質(zhì)的濃度的關系式為v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由關系式可知，增大N2或H2的濃度，減小NH3的濃度，都有利于提高合成氨的速率。(2)催化劑使用催化劑，可顯著降低反應的活化能，使反應速率提高上萬億倍。(3)溫度溫度對合成氨反應的速率也有顯著影響：溫度越高，反應進行得越快。(4)壓強壓強越大，反應進行得越快。2．合成氨反應條件的選擇依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中，必須從反應速率和反應限度兩個角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應物的轉化率，充分利用原料，又要選擇較快的反應速率，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量，同時還要考慮設備的要求和技術條件。提高反應的平衡轉化率提高化學反應速率性質(zhì)措施性質(zhì)措施放熱低溫活化能高使用合適的催化劑3．工業(yè)上合成氨一般采用700K左右的溫度，其原因是()①適當提高氨的合成速率②提高H2的轉化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在700K時活性最高A．只有① B．①②C．②③④ D．①④解析：選D合成氨反應為放熱反應，溫度升高，轉化率降低，但反應速率加快，同時要考慮催化劑的活性。4．在合成氨工業(yè)中，下列措施不能使化學平衡向右移動的是()①不斷將NH3分離出來②使用催化劑③采用700K左右的高溫④采用2×107～5×107Pa的壓強A．①④ B．②③C．①③ D．②④解析：選B①減小生成物濃度，有利于化學平衡向正反應方向移動，所以不斷將氨氣分離出來有利于化學平衡向右移動；②使用催化劑能同等程度地加快正、逆反應速率，不能改變化學平衡，所以平衡不移動；③由于合成氨反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡向左移動，所以采用700K左右的高溫，不利于化學平衡向右移動；④由于合成氨反應的正反應為氣體分子數(shù)減小的反應，故增大壓強有利于平衡向右移動。綜上所述，②③不能使化學平衡向右移動。5．已知工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1。(1)一定溫度下，在容積恒定的密閉容器中，一定量的N2和H2反應達到平衡后，改變某一外界條件，反應速率與時間的關系如圖所示，其中t2、t4、t7時刻所對應的實驗條件改變分別是t2________，t4________，t7________。(2)溫度為T℃時，將2amolH2和amolN2放入0.5L密閉容器中，充分反應達平衡后測得N2的轉化率為50%，此時放出熱量46.1kJ，則該溫度下反應的平衡常數(shù)為________。解析：(1)t2時刻正反應速率瞬間增大，逆反應速率瞬間未變化，平衡正向移動，應是增大了反應物的濃度；t4時刻速率變大，但平衡未發(fā)生移動，應是加入了催化劑；t7時刻正、逆反應速率都瞬間減小后平衡正向移動，應是降低了溫度。(2)三段式計算：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)起始物質(zhì)的量濃度/(mol·L－1):2a4a0轉化物質(zhì)的量濃度/(mol·L－1):a3a2a平衡物質(zhì)的量濃度/(mol·L－1):aa2a平衡時放出熱量46.1kJ，則平衡時N2轉化了0.5mol,0.5amol＝0.5mol，a＝1.0。K＝eq\f(2.0mol·L－12,1.0mol·L－14)＝4.0(mol·L－1)－2。答案：(1)增大N2或H2的濃度加入催化劑降溫(2)4.0(mol·L－1)－21．下列有關合成氨工業(yè)的說法中正確的是()A．鐵做催化劑可加快反應速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動B．升高溫度可以加快反應速率，且有利于化學平衡向合成氨的方向移動C．增大壓強能縮短到達平衡狀態(tài)所用的時間D．合成氨采用的壓強是2×107～5×107Pa，因為該壓強下鐵觸媒的活性最高解析：選C催化劑可以改變反應速率，但不能使平衡移動，只能縮短反應達到平衡所需的時間，A項錯誤；升高溫度可以加快反應速率，但合成氨反應是放熱反應，因此升高溫度不利于化學平衡向合成氨的方向移動，B項錯誤；增大壓強加快反應速率，C項正確；催化劑的活性取決于溫度的高低，而非取決于壓強的大小，D項錯誤。2．合成氨反應使用催化劑的理由是()A．使逆反應不發(fā)生B．使平衡向正反應方向移動C．加快正、逆反應速率，縮短達到平衡的時間D．提高原料的轉化率解析：選C使用催化劑，加快反應速率，縮短達到平衡時間，但平衡不移動。3．合成氨時，既要使H2的轉化率增大，又要使反應速率增大，可采取的方法是()A．補充H2 B．升高溫度C．增大壓強 D．使用催化劑解析：選C合成氨反應是放熱、氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的反應，補充H2、升高溫度、增大壓強、使用催化劑都能使反應速率增大，但補充H2會使H2的轉化率減??；升高溫度使平衡左移，H2的轉化率減??；使用催化劑，平衡不移動，H2的轉化率不變；只有增大壓強會使平衡右移，H2的轉化率增大。4．如圖所示是合成氨的簡要流程示意圖，圖中沿x路線到壓縮機的物質(zhì)是()A．N2和H2 B．催化劑C．N2 D．H2解析：選A在合成塔中氨的產(chǎn)率較低，有大量未反應的N2和H2，為提高原料的利用率，將未反應的原料氣循環(huán)利用。5．下列措施不能使合成氨反應的速率增大的是()A．升高溫度 B．降低溫度C．使用催化劑 D．及時分離出NH3解析：選B在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質(zhì)的濃度的關系式為v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，可知及時分離出NH3能提高合成氨反應的速率；升高溫度、使用催化劑能提高合成氨反應的速率。6.合成氨反應達到平衡時，NH3的體積分數(shù)與溫度、壓強的關系如圖所示。根據(jù)此圖分析合成氨工業(yè)最有前途的研究方向是()A．提高分離技術B．研制耐高壓的合成塔C．研制低溫催化劑D．探索不用N2和H2合成氨的新途徑解析：選C由題圖可知，NH3的體積分數(shù)隨著溫度的升高而顯著下降，故要提高NH3的體積分數(shù)，必須降低溫度，但目前所用催化劑鐵觸媒的活性最高時的溫度為700K，故最有前途的研究方向為研制低溫催化劑。7．一定條件下，將10.0molH2和1.0molN2充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并達到平衡狀態(tài)，則H2的轉化率可能是()A．15% B．30%C．35% D．75%解析：選A對可逆反應而言，任何一種物質(zhì)都不能完全轉化。利用“極限法”，假設N2完全轉化，則消耗的H2的物質(zhì)的量為n(H2)＝3n(N2)＝3.0mol，但事實上，N2是不可能完全轉化的，因而消耗的H2的物質(zhì)的量一定小于3.0mol，故H2的轉化率α(H2)<eq\f(3.0mol,10.0mol)×100%＝30%。8．下列關于N2＋3H22NH3反應速率與時間的關系圖中，縱坐標為反應速率v，橫坐標為時間t，當反應達到平衡后，條件發(fā)生改變與速率變化的關系中不符合實際的是()解析：選A合成氨反應的化學方程式的特點是：體積縮小、放熱反應，所以加壓和降溫有利于化學平衡向著生成氨氣的方向移動。達到化學平衡后，若升高溫度，化學平衡左移，實際上此時是逆反應速率大于正反應速率，所以A圖像錯誤；如果給體系加壓，體系中所有物質(zhì)的濃度都增大，所以正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大的幅度大于逆反應速率增大的幅度，所以B圖像正確；使用催化劑不會使化學平衡發(fā)生移動，只能改變化學反應速率，所以C圖像也是正確的；補充N2和H2，則平衡體系中反應物的濃度增加，所以正反應速率增大，分離出NH3，產(chǎn)物的濃度降低，所以逆反應速率減小，所以D圖像正確。9．在密閉容器內(nèi)，使1molN2與3molH2混合發(fā)生下列反應：3H2＋N22NH3ΔH<0(1)合成氨時選擇500℃高溫的目的是________________________________________________________________________________________________________________。(2)當反應達到平衡時，N2和H2的濃度比是________。(3)當達到平衡時，充入氬氣，并保持體積不變，平衡將________移動。(4)當達到平衡時，充入氬氣，并保持壓強不變，平衡將________移動，反應速率將________。(5)當達到平衡時，充入N2并保持壓強不變，平衡將________移動。(6)當達到平衡時，保持體積不變，升高溫度時，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量________，密度________。解析：合成氨時選擇500℃高溫可以加快反應速率，而且工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大；因為初始和轉化的N2和H2的濃度比都是1∶3，所以當反應達到平衡時，N2和H2的濃度比是1∶3；平衡時保持體積不變，充入氬氣平衡不移動；保持壓強不變充入氬氣，容器體積變大，反應速率將變小，平衡逆向移動；充入N2并保持壓強不變，平衡將正向移動；保持體積不變，升高溫度時，平衡逆向移動，混合氣體的質(zhì)量不變，總物質(zhì)的量變大，平均相對分子質(zhì)量變小，密度不變。答案：(1)加快反應速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時活性最大(2)1∶3(3)不(4)逆向變小(5)正向(6)減小不變10．下表的實驗數(shù)據(jù)是在不同溫度和壓強下，平衡混合物中NH3含量的變化情況。達到平衡時平衡混合物中NH3的含量(體積分數(shù))c(投料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]NH3的含量/%壓強/MPa溫度/℃0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4(1)比較200℃和300℃時的數(shù)據(jù)，可判斷升高溫度，平衡向________(填“正反應”或“逆反應”)方向移動，正反應方向為________(填“吸熱”或“放熱”)反應。(2)根據(jù)平衡移動原理，合成氨適宜的條件是____________________________________。A．高溫高壓B．高溫低壓C．低溫高壓D．低溫低壓(3)計算500℃，30MPa時N2的轉化率________。(4)實際工業(yè)生產(chǎn)氨時，考慮濃度對化學平衡的影響，及500℃對反應速率的影響，還采取了一些措施請分別寫出其中的一個措施：________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)表中數(shù)據(jù)表明：恒壓時，升高溫度，w(NH3)減小，說明平衡逆向移動，則正反應為放熱反應。(2)由反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，合成氨適宜條件是低溫、高壓，此時平衡右移，反應物轉化率大。(3)假設N2的用量為1mol，H2的用量為3mol，N2的消耗量為xmol，則：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)初始量(mol)130轉化量(mol)x3x2x平衡量(mol)1－x3－3x2x得：eq\f(2x,2x＋1－x＋3－3x)×100%＝26.4%x＝0.4177α(N2)＝eq\f(0.4177mol,1mol)×100%＝41.77%。(4)增大反應物濃度或降低產(chǎn)物濃度有利于平衡右移；低溫時雖然有利于化學反應正向進行，但速率較小，為提高化學反應速率，500℃時加入合適的催化劑(鐵)，既提高化學反應速率，又使鐵的催化性能最好。答案：(1)逆反應放熱(2)C(3)41.77%(4)加過量N2或及時從平衡體系中移走NH3，選擇合適的催化劑(如鐵)1．可逆反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，達到平衡后，為了使氫氣的轉化率增大，下列選項中采用的三種方法正確的是()A．升高溫度、降低壓強、增加氮氣B．降低溫度、增大壓強、加入催化劑C．升高溫度、增大壓強、增加氮氣D．降低溫度、增大壓強、分離出部分氨氣解析：選D要使氫氣的轉化率增大，需使平衡向正反應方向移動，根據(jù)合成氨反應的特點，由于正反應為放熱反應，需降低溫度；正反應為氣體總體積減小的反應，需增大壓強；另外還可通過及時分離出部分氨氣，減小生成物濃度的方法，促使平衡右移，故選D。2．下列說法能夠用平衡移動原理來解釋的是()A．加入催化劑可以提高單位時間氨的產(chǎn)量B．高壓有利于氨的合成反應C．500℃高溫比室溫更利于合成氨的反應D．恒溫恒容下，在合成氨平衡體系中充入He，使壓強增大，則平衡正向移動，NH3增多解析：選BA項，加入催化劑只能加快反應速率，縮短到達平衡的時間，提高“單位時間”的產(chǎn)量，不能使化學平衡發(fā)生移動；B項，合成氨是一個氣體體積減小的反應，所以增大壓強，使平衡正向移動，有利于合成氨，符合平衡移動原理；C項，因為合成氨是一個放熱反應，所以從化學平衡移動角度分析，應采用較低溫度，500℃高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動，采用500℃既考慮到溫度對速率的影響，更主要的是500℃左右催化劑活性最大；D項，恒溫恒容下充入He，He不與N2、H2、NH3反應，雖總壓強增大了，實際上平衡體系各成分濃度不變，平衡不移動，NH3的產(chǎn)量不變。3．某條件下合成氨反應達平衡時氨的體積分數(shù)為25%，若反應前后條件保持不變，則反應后縮小的氣體體積與原反應物的體積之比是()A.eq\f(1,5) B.eq\f(1,4)C.eq\f(1,6) D.eq\f(1,2)解析：選A設起始時H2為amol、N2為bmol，平衡時NH3為xmol，則3H2＋N22NH3起始(mol):ab0平衡(mol)：a－eq\f(3x,2)b－eq\f(x,2)x依題意可得：eq\f(x,a－\f(3x,2)＋b－\f(x,2)＋x)×100%＝25%化簡得：eq\f(x,a＋b－x)＝eq\f(1,4)解得：eq\f(x,a＋b)＝eq\f(1,5)，即反應后縮小的氣體的物質(zhì)的量與原反應物的總物質(zhì)的量之比為eq\f(1,5)。根據(jù)相同條件下，體積之比等于物質(zhì)的量之比，反應后縮小的氣體體積與原反應物的體積之比為eq\f(1,5)。4．工業(yè)合成氨的正反應是放熱反應，下列關于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反應的圖像中，錯誤的是()解析：選C合成氨的正反應是放熱反應，升高溫度正、逆反應速率都增大，但逆反應速率增大的程度大，A正確；在T1時φ(NH3)最大，達到平衡，再升高溫度，平衡逆向移動，φ(NH3)減小，B正確，C錯誤；增大壓強，平衡正向移動，φ(NH3)增大，D正確。5．合成氨反應的正反應是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的放熱反應。合成氨工業(yè)的生產(chǎn)流程如圖所示。下列關于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是()A．將混合氣體進行循環(huán)利用符合綠色化學思想B．合成氨反應需在低溫下進行C．對原料氣進行壓縮是為了增大原料氣的轉化率D．使用催化劑可以提高反應速率，但不能使平衡向正反應方向移動解析：選B混合氣的循環(huán)利用可以提高原料的利用率，減少污染和浪費，符合綠色化學思想，A項正確；低溫有利于提高原料的轉化率，但不利于提高反應速率和催化劑發(fā)揮催化作用，故合成氨不采用低溫條件，B項錯誤；增大壓強，平衡正向移動，提高了原料的轉化率，C項正確；催化劑只能改變反應速率，不能使平衡發(fā)生移動，D項正確。6．合成氨所需的氫氣可用煤和水作原料經(jīng)多步反應制得，其中的一步反應為：CO(g)＋H2O(g)eq\o(,\s\up7(催化劑))CO2(g)＋H2(g)ΔH<0反應達到平衡后，為提高CO的轉化率，下列措施中正確的是()A．增加壓強 B．降低溫度C．增大CO的濃度 D．更換催化劑解析：選B選項A，該反應為反應前后氣體分子數(shù)相等的反應，壓強對CO的轉化率無影響；選項B，該反應為放熱反應，降低溫度有利于化學平衡向右移動，提高CO的轉化率；增大CO的濃度會降低CO的轉化率；選項D，更換催化劑不能使化學平衡發(fā)生移動。7.對于密閉容器中的反應：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，在673K、30MPa下，n(NH3)和n(H2)隨時間變化的關系如圖所示。下列敘述正確的是()A．a(chǎn)點的正反應速率比b點的大B．c點處反應達到平衡狀態(tài)C．d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)不一樣D．其他條件不變，溫度為773K時反應至t1時刻，n(H2)比圖中d點的值小解析：選A由圖可以看出，N2和H2反應生成氨氣，開始時正反應速率最大，A項正確；c點時H2和NH3的物質(zhì)的量相等，但二者的含量還在變化，沒有達到平衡狀態(tài)，B項錯誤；t1時反應已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，d點(t1時刻)和e點(t2時刻)處n(N2)相同，C項錯誤；773K高于673K，升溫后平衡逆向移動，t1時刻n(H2)在773K時比673K時的多，D項錯誤。8.在反應N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0的平衡體系中，當恒溫恒壓條件下t1時刻分離出NH3時，下列說法正確的是()A．t1時刻后的速率變化如圖所示B．t1時刻后達到新平衡前Q>KC．新平衡體系中NH3的含量增大D．N2的平衡轉化率增大解析：選D分離出NH3，使體系中NH3的含量減小，則達到新平衡前Q<K，v(正)>v(逆)，平衡向正反應方向移動，故N2的平衡轉化率增大。9．工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反應過程中的能量變化如圖所示，據(jù)圖回答下列問題：(1)該反應通常用活性鐵作催化劑，加活性鐵會使圖中B點____________(填“升高”或“降低”)，理由是______________________________________________________。(2)450℃時該反應的平衡常數(shù)________500℃時的平衡常數(shù)(填“<”“>”或“＝”)。(3)一定條件下的密閉容器中，該反應達到平衡，要提高H2的轉化率