2022年新教材高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨學(xué)案選擇性

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨課標(biāo)解讀##課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件。2.了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)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(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。1.科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任：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.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：能運用溫度、濃度、壓強和催化劑對化學(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。自主學(xué)習(xí)·必備知識知識點一合成氨反應(yīng)的限度1.反應(yīng)原理已知在298?K時，N2(g)+3?2.反應(yīng)特點①可逆②減?、郏饥埽饥荩饥弈?.有利于合成氨的條件a.外界條件：⑦降低溫度、⑧增大壓強，有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動。b.投料比：溫度、壓強一定時，N2、H2的體積比為⑨想一想合成氨反應(yīng)中，為了提高原料轉(zhuǎn)化率，通常如何處理反應(yīng)后的尾氣？答案：將未能轉(zhuǎn)化的N2、H判一判1.因為合成氨常溫下是一個自發(fā)的反應(yīng)，所以這個反應(yīng)很容易發(fā)生(×)2.在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)物氮氣和氫氣的轉(zhuǎn)化率相等(×)知識點二合成氨反應(yīng)的速率1.提高合成氨反應(yīng)速率的方法①升高②增大③增大④催化劑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)?知識點三合成氨生產(chǎn)的適宜條件1.合成氨反應(yīng)適宜條件分析（1）選擇合成氨生產(chǎn)條件時，既不能片面地追求高①轉(zhuǎn)化率，也不應(yīng)只追求高②反應(yīng)速率，而應(yīng)該尋求③以較高的反應(yīng)速率獲取適當(dāng)轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。（2）考慮原料的④價格、未轉(zhuǎn)化的合成氣（氮氣和氫氣）的⑤循環(huán)使用、⑥反應(yīng)熱的綜合利用等。2.合成氨的適宜條件影響因素選擇條件（1）溫度反應(yīng)溫度控制在⑦700?K（2）物質(zhì)的量N2、H2（3）壓強1×10（4）催化劑選擇⑨鐵作催化劑（5）濃度使氣態(tài)NH3變成液態(tài)NH3并及時分離出去，同時補充H3.合成氨的生產(chǎn)流程的三階段想一想（1）合成氨時，增大壓強既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？為什么？（2）合成氨時，降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？為什么？答案：（1）不是。壓強越大需要的動力越大，對設(shè)備的制造要求越高。（2）不是。因為溫度越低反應(yīng)速率越慢，達(dá)到平衡所需時間越長，很不經(jīng)濟，所以實際生產(chǎn)中，采用700?K互動探究·關(guān)鍵能力探究點工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則情境探究在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)將SO2氧化成SO已知催化劑是V2O5，在400～500?壓強轉(zhuǎn)化率溫度1×1×5×1×450?97.5%99.2%99.6%99.7%550?85.6%94.9%97.7%98.3%問題1：根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡快地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)速率的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？答案：提示高溫、高壓、催化劑。問題2：根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡量多地轉(zhuǎn)化為三氧化硫，從化學(xué)反應(yīng)限度的角度考慮，應(yīng)該選擇什么樣的條件？答案：提示低溫、高壓。問題3：在實際生產(chǎn)中，選定400～500?℃答案：提示在此溫度下催化劑的活性最高。問題4：根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析，制取SO3答案：提示1×105Pa問題5：在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是什么？答案：提示增大反應(yīng)物O2的濃度，提高SO問題6：根據(jù)上述分析，實際工業(yè)生產(chǎn)中該反應(yīng)應(yīng)選擇的條件是什么?答案：提示常壓、450?℃探究歸納工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則1.從可逆性、反應(yīng)前后氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)計量數(shù)的大小關(guān)系、焓變?nèi)齻€角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點。2.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;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速率的條件控制有利于平衡正向移動的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小反應(yīng)產(chǎn)物的濃度不斷地補充反應(yīng)物，及時地分離出反應(yīng)產(chǎn)物催化劑加合適的催化劑—加合適的催化劑溫度高溫△低溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度△高溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高溫并考慮催化劑的活性壓強高壓（有氣體參加）△高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓△低壓兼顧速率和平衡，選擇適宜的壓強探究應(yīng)用例（2021廣東惠州高二月考）合成氨工業(yè)的發(fā)展大大提高了糧食產(chǎn)量，促進了國民經(jīng)濟和國防工業(yè)的發(fā)展。合成氨時，既要使合成氨的產(chǎn)率增大，又要使反應(yīng)速率加快，可采取的辦法是()①減壓②加壓③升溫④降溫⑤及時從平衡混合氣中分離出NH3⑥補充N2或H2⑦加催化劑⑧減小NA.③④⑤⑦B.②⑤⑥C.②⑥D(zhuǎn).②③⑥⑦答案：B解析：解答本題需注意以下三點：合成氨反應(yīng)的特點；影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素;合成氨適宜條件的選擇。合成氨反應(yīng)N2解題感悟化工生產(chǎn)條件的選擇需要注意的問題（1）選取適宜的化工生產(chǎn)條件時，既要考慮反應(yīng)速率問題，又要考慮化學(xué)平衡移動的問題，同時也要考慮化工生產(chǎn)中的動力、材料、設(shè)備、催化劑等因素的影響，綜合選取適宜條件。（2）溫度的選擇，不僅要考慮速率、平衡問題，同時還要照顧到催化劑的活性。（3）壓強的選擇，除了考慮速率和平衡問題，還要考慮對設(shè)備的技術(shù)要求和成本問題。遷移應(yīng)用1.在合成氨反應(yīng)中使用催化劑和施加高壓，下列敘述中正確的是()A.都能提高反應(yīng)速率，都對化學(xué)平衡無影響B(tài).都對化學(xué)平衡有影響，但都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間C.都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，只有施加高壓對化學(xué)平衡有影響D.使用催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時間，而施加高壓無此效果答案：C解析：對于反應(yīng)N2(g2.（★）合成氨工業(yè)中，原料氣（N2、H2及少量CO、NH3的混合氣）在進入合成塔前常用醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)是[Cu(（1）必須除去原料氣中CO的原因為。（2）醋酸二氨合銅（Ⅰ）溶液吸收CO的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是。（3）吸收CO后的醋酸二氨合銅溶液經(jīng)過適當(dāng)處理又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用。醋酸二氨合銅溶液再生的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是。答案：（1）防止合成塔中的催化劑中毒（2）低溫、高壓（3）高溫、低壓解析：分析吸收CO反應(yīng)的特點：正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，用化學(xué)平衡原理及有關(guān)合成氨適宜條件的選擇知識即可作答。評價檢測·素養(yǎng)提升課堂檢測1.合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡時，NH3A.提高分離技術(shù)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H答案：C解析：由題圖可知,NH3的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而顯著下降，故要提高NH32.在其他條件不變的情況下，能使合成氨反應(yīng)進行程度增大的方法是()A.升高溫度B.減小壓強C.使用催化劑D.及時分離出氨氣答案：D解析：合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)前后氣體體積減小。升高溫度，會使平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動，使合成氨反應(yīng)進行程度減小，A項不符合題意；減小壓強，平衡會向氣體體積增大的逆反應(yīng)方向移動，使合成氨反應(yīng)進行程度減小，B項不符合題意；使用催化劑，平衡不移動，合成氨反應(yīng)進行程度不發(fā)生變化，C項不符合題意；及時分離出氨氣，減小反應(yīng)產(chǎn)物濃度，平衡正向移動，能使合成氨反應(yīng)進行程度增大，D項符合題意。3.（2021山東德州高二月考）哈伯發(fā)明了以低成本制造大量氨的方法，如圖所示是哈伯法合成氨的流程圖，其中為提高原料轉(zhuǎn)化率而采取的措施是()A.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.②③④答案：B解析：氮氣和氫氣在高溫、高壓和催化劑條件下反應(yīng)生成氨氣，正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。凈化氣體是為了防止雜質(zhì)氣體對催化劑產(chǎn)生影響，不能提高原料的轉(zhuǎn)化率，①不符合題意；加壓，平衡正向移動，可以提高原料的利用率，②符合題意；使用催化劑，可以加快反應(yīng)速率，但平衡不移動，不能提高原料轉(zhuǎn)化率，③不符合題意；分離出氨氣，平衡正向移動，提高了原料的轉(zhuǎn)化率，④符合題意；氮氣和氫氣再循環(huán)，可提高原料的轉(zhuǎn)化率，⑤符合題意。4.（★）合成氨反應(yīng)通?？刂圃?0～50?MPa的壓強和500?20?60?500?19.1%42.2%而實際從合成塔出來的混合氣體中含有氨約15%，這表明()A.表中所測數(shù)據(jù)有明顯誤差B.生產(chǎn)條件控制不當(dāng)C.氨的分解速率大于預(yù)測值D.合成塔中的反應(yīng)并未達(dá)到平衡答案：D解析：合成氨工業(yè)考慮單位時間的產(chǎn)量問題，并未讓合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡，因為讓反應(yīng)達(dá)到平衡需要一定的時間，時間太長得不償失。素養(yǎng)視角1.（2021山東泰安高二月考）合成氨工業(yè)對化學(xué)工業(yè)和國防工業(yè)具有重要意義。工業(yè)合成氨生產(chǎn)示意圖如圖所示。（1）X的化學(xué)式為。（2）上圖中條件選定的主要原因是（填字母）。A.溫度、壓強對化學(xué)平衡的影響B(tài).鐵觸媒在該溫度時活性大C.工業(yè)生產(chǎn)受動力、材料、設(shè)備等條件的限制（3）改變反應(yīng)條件，會使平衡發(fā)生移動。下圖表示隨條件改變，氨氣的百分含量的變化趨勢。當(dāng)橫坐標(biāo)為壓