[名校联盟]江苏省邳州市第二中学2013年高中化学选修四课件：第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 (2).ppt

《[名校联盟]江苏省邳州市第二中学2013年高中化学选修四课件：第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 (2).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[名校联盟]江苏省邳州市第二中学2013年高中化学选修四课件：第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 (2).ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第4节化学反应条件的优化节化学反应条件的优化工工业合成氨业合成氨学.科.网zxxkw1.认识合成氨的化学原理。认识合成氨的化学原理。2应用化学平衡和化学反应速率的有关知应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。识选择合成氨的条件。3了解合成氨生产的主要流程。了解合成氨生产的主要流程。4了解工业条件选择的依据和原则。了解工业条件选择的依据和原则。课程标准导航课程标准导航新知初探自学导引新知初探自学导引(2)化学反应的特点化学反应的特点该反应是一个能自发进行的、该反应是一个能自发进行的、_热的、热的、气体体积气体体积_的可逆反应。的可逆反应。2合成氨反应的限度分析合成氨反应的限度分析

2、_温度、温度、_压强将有利于化学平压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为下，反应物氮气、氢气的体积比为_时，平衡混合物中氨的含量最高。时，平衡混合物中氨的含量最高。放放减小减小降低降低增大增大13二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率增大增大_，使用合理，使用合理_，升高升高_均可增大合成氨反应的反应速均可增大合成氨反应的反应速率。率。反应物浓度反应物浓度催化剂催化剂温度温度zxxkw三、合成氨的适宜条件三、合成氨的适宜条件1合成氨反应条件的选择原则合成氨反应条件的选择原则(1)尽量增大反应物的尽量增大反应

3、物的_，充分利用原，充分利用原料；料；(2)选择较快的选择较快的_，提高单位时间，提高单位时间内的产量；内的产量；(3)考虑设备和技术条件。考虑设备和技术条件。转化率转化率反应速率反应速率学.科.网2合成氨反应的适宜条件合成氨反应的适宜条件(1)压强压强压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中,应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为标来选择压强，大致分为_、_和和_三种类型。三种类型。低压低压中压中压高压高压(2)温度温度温度越高，反应速率温度越高，反应速率_，但不利于氨的合，但不利于氨的合成，在实

4、际生产中一般控制反应温度在成，在实际生产中一般控制反应温度在_K左右左右(且在此温度时催化剂的活性且在此温度时催化剂的活性_)。(3)催化剂催化剂使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择氨生产一般选择_做催化剂。做催化剂。越大越大700 最大最大铁铁(4)浓度浓度合成氨生产通常采用合成氨生产通常采用N2和和H2物质的量之比为物质的量之比为12.8的投料比，及时将氨气从反应混合物的投料比，及时将氨气从反应混合物中分离出去。此外，还应考虑原料的中分离出去。此外，还应考虑原料的_、未转化的合成气的未转化的合成气的_使用、使用、_的综的综合利用等问题。

5、合利用等问题。价格价格循环循环反应热反应热学.科.网1从化学反应速率和化学平衡两方面考虑从化学反应速率和化学平衡两方面考虑,合成氨应采用的条件是合成氨应采用的条件是()A低温、高压、催化剂低温、高压、催化剂B低温、低压、催化剂低温、低压、催化剂C高温、高压、催化剂高温、高压、催化剂 D适当温度、低压、催化剂适当温度、低压、催化剂解析：选解析：选C。根据合成氨反应的特点、外界。根据合成氨反应的特点、外界条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂的活性进行选择。的活性进行选择。2合成氨时，既要使合成氨时，既要使H2的转化率增大，又要使的转化率增大，又要使反应速率增

6、大，可采取的方法是反应速率增大，可采取的方法是()A补充补充H2 B升高温度升高温度C增大压强增大压强 D使用催化剂使用催化剂解析：选解析：选C。补充。补充H2，使反应速率加快，但，使反应速率加快，但H2的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左移，移，H2的转化率降低；增大压强，反应速率加的转化率降低；增大压强，反应速率加快，平衡右移，快，平衡右移，H2的转化率提高；催化剂只能的转化率提高；催化剂只能加快反应速率，而不会提高反应物的转化率加快反应速率，而不会提高反应物的转化率。学.科.网3在合成氨工业中，达到下列目的的变化在合成氨工业中，达到下列目的的变

7、化过程中与平衡移动无关的是过程中与平衡移动无关的是()为增加为增加NH3的日产量，不断将的日产量，不断将NH3分离出分离出来来为增加为增加NH3的日产量，使用催化剂的日产量，使用催化剂为增加为增加NH3的日产量而采用的日产量而采用1107 Pa1108 Pa的压强的压强为增加为增加NH3的日产量，采用的日产量，采用700 K左右的高左右的高温温A BC D解析：选解析：选D。中催化剂不能使平衡移动，中催化剂不能使平衡移动，中升高温度，平衡逆向移动，不利于中升高温度，平衡逆向移动，不利于NH3的生成，故选的生成，故选D。探究导引探究导引1怎样考虑合成氨的适宜条件？怎样考虑合成氨的适宜条件？提示：

8、提示：运用化学反应速率和化学平衡移动原运用化学反应速率和化学平衡移动原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，选择合成氨的适宜条件。设备等因素，选择合成氨的适宜条件。要点突破讲练互动要点突破讲练互动合成氨适宜条件的选择合成氨适宜条件的选择要点归纳要点归纳1提高反应的平衡转化率和反应速率的措施提高反应的平衡转化率和反应速率的措施提高反应的平衡转化率提高反应的平衡转化率提高化学反应速率提高化学反应速率性质性质措施措施性质性质措施措施放热放热降低温度降低温度活化能高活化能高加催加催化剂化剂分子数减小分子数减小增大压强增大压强低温时反应低温时反应速率低速

9、率低升高升高温度温度平衡常数不平衡常数不大大降低温度降低温度原料气体浓原料气体浓度增加能提度增加能提高反应速率高反应速率增大增大N2、H2的的浓度浓度氨气浓度降氨气浓度降低使平衡过低使平衡过程正移程正移降低降低NH3浓度浓度氨气浓度增氨气浓度增加能降低反加能降低反应速率应速率分离分离氨气氨气2.合成氨反应的适宜条件合成氨反应的适宜条件因数因数条件条件速率速率平衡平衡其他其他适宜条件适宜条件增大压强增大压强增大增大向右向右移动移动动力、材动力、材料、设备料、设备有限有限2050 MPa的高的高压压升高温度升高温度增大增大向左向左移动移动催化剂在催化剂在700 K时时活性最大活性最大700 K左左

10、右的适宜右的适宜温度温度因数因数条件条件速率速率平平衡衡其他其他适宜条件适宜条件增大反应增大反应物浓度或物浓度或减小生成减小生成物浓度物浓度v正正增增大大v逆逆减减小小向向右右移移动动另一反另一反应物转应物转化率增化率增大不明大不明显显不断补充不断补充N2、H2(12.8)循循环操作环操作及及时分离时分离NH3催化剂催化剂增大增大Fe为主的多为主的多成分催化剂成分催化剂特别提醒特别提醒工业生产中化学反应条件优化的一般原则工工业生产中化学反应条件优化的一般原则工业生产中既要考虑反应速率快，又要考虑原业生产中既要考虑反应速率快，又要考虑原料利用率高，所以在选择生产条件时，应从料利用率高，所以在选择

11、生产条件时，应从这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特别要适应催化剂的活性，如合成氨及合成三别要适应催化剂的活性，如合成氨及合成三氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范围内选择；围内选择；同时还可增大廉价原料的用量，及时分离出同时还可增大廉价原料的用量，及时分离出产物，既可以增大反应速率，又可提高平衡产物，既可以增大反应速率，又可提高平衡转化率。转化率。即时应用即时应用(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨若降低温度，会使上述化学平衡向生成

12、氨的方向移动，则正反应是的方向移动，则正反应是_反应，反应，生成生成1 mol NH3的热效应数值为的热效应数值为46.1 kJ，则，则该反应的热化学方程式为该反应的热化学方程式为_。(3)合成氨时，选择合成氨时，选择500 高温的目的是高温的目的是_。(4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变若反应容器的体积不变，原反应温度不变,而将平衡体系中的混合气体的浓度增大而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍倍,则则上述平衡向上述平衡向_移动；若在平衡体系中移动；若在平衡体系中加入氦气，则上述平衡加入氦气，则上述平衡_移动。移动。解析：若保持反应容器的体积和反应温度不解析：若保持反应容器的体积和反应

13、温度不变，将平衡体系中的混合气体的浓度增大变，将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，其效果相当于增大体系的压强，根据压倍，其效果相当于增大体系的压强，根据压强对化学平衡的影响，可判断上述平衡应该强对化学平衡的影响，可判断上述平衡应该向正反应方向移动。若在平衡体系中加入氦向正反应方向移动。若在平衡体系中加入氦气，氦气不参与反应，由于反应容器的体积气，氦气不参与反应，由于反应容器的体积和反应温度都不变，氦气的加入只是增大了和反应温度都不变，氦气的加入只是增大了容器内总的压强并未改变反应体系的压强，容器内总的压强并未改变反应体系的压强，因此氦气的加入对上述平衡没有影响即化学因此氦气的加入对上述平衡没

14、有影响即化学平衡不移动。平衡不移动。答案：答案：(1)正、逆反应速率各反应物和生成正、逆反应速率各反应物和生成物的浓度物的浓度(合理即可合理即可)正、逆反应动态正、逆反应动态(2)放热放热N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H92.2 kJmol1(3)加快化学反应速率且工业上用的催化剂在加快化学反应速率且工业上用的催化剂在此温度时活性最大此温度时活性最大(4)正反应方向不正反应方向不探究导引探究导引2合成氨的工艺流程是怎样的？合成氨的工艺流程是怎样的？提示：提示：合成氨的工艺流程合成氨的工艺流程要点归纳要点归纳1原料气的制取原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出：将空气液化、蒸发分离出N

15、2或者将空气中或者将空气中的的O2与碳作用生成与碳作用生成CO2，除去，除去CO2后得后得N2。H2：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为：天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4H2O=CO3H2，COH2O=CO2H2。2净化气体净化气体制得的制得的N2、H2需净化，除去杂质需净化，除去杂质(防止催化防止催化剂中毒剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。，再用压缩机压缩至高压。3NH3的合成的合成在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后，与塔内反应后的高温气

16、体逆流交换热量后，进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。4NH3的分离的分离混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得到液氨，而未反应的在该压强下液化得到液氨，而未反应的N2和和H2经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。行反应。特别提醒特别提醒现代合成氨工业正向着原料结构更加合理化现代合成氨工业正向着原料结构更加合理化,生产规模大型化，开发低能耗新工艺，以及生产规模大型化，开发低能耗新工艺，以及实现生产自动化的方向迅速发展。实现生产自动化的方向迅速发展。即时应用即时

17、应用反应体系中各组分的部分性质见下表反应体系中各组分的部分性质见下表回答下列问题：回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。随着温度升高，。随着温度升高，K值值_(填填“增大增大”、“减小减小”或或“不不变变”)。气体气体氮气氮气氢气氢气氨氨熔点熔点/ 210.01 259.7777.74沸点沸点/ 195.79 252.2333.42(2)K值越大，表明值越大，表明_(填字母填字母)。A其他条件相同时其他条件相同时N2的转化率越高的转化率越高B其他条件相同时其他条件相同时NH3的产率越大的产率越大C原料中原料中N2的含量越高的含量越高D化学反应

18、速率越快化学反应速率越快(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到通过把混合气体的温度降低到_使使_分离出来；继续循环的气体是分离出来；继续循环的气体是_。(2)K值越大，说明值越大，说明NH3越大，越大，N2和和H2就就越小，说明反应进行的程度大，故其他条件越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同时相同时N2的转化率就越高，的转化率就越高，NH3的产率就越的产率就越大。大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N2和和H2循环

19、使用，以提高产率。循环使用，以提高产率。题型探究权威预测题型探究权威预测化工生产适宜条件的选择化工生产适宜条件的选择压强压强温度温度1105 Pa5105 Pa10105 Pa50105 Pa100105 Pa450 97.598.999.299.699.7500 85.692.994.997.798.3【解析解析】该反应与合成氨的反应相似，都该反应与合成氨的反应相似，都是气体体积缩小的放热反应，温度升高有利是气体体积缩小的放热反应，温度升高有利于加快反应速率，但降低了反应物的转化率于加快反应速率，但降低了反应物的转化率,适宜条件的选择需要综合考虑。增大压强有适宜条件的选择需要综合考虑。增大压

20、强有利于加快反应速率，同时也可以提高反应物利于加快反应速率，同时也可以提高反应物的转化率，但压强对的转化率，但压强对SO2的催化氧化的转化的催化氧化的转化率影响不大。率影响不大。【答案答案】450 1105 Pa【名师点睛名师点睛】理论与生产实际相联系，如理论与生产实际相联系，如何根据平衡移动原理、化学反应速率和设备何根据平衡移动原理、化学反应速率和设备要求选择工业生产的适宜条件，可能是本节要求选择工业生产的适宜条件，可能是本节学习过程中遇到的主要困难。反应速率、移学习过程中遇到的主要困难。反应速率、移动方向和设备要求有时是矛盾的，有时是统动方向和设备要求有时是矛盾的，有时是统一的，最终确定的

21、条件往往是理论与现实相一的，最终确定的条件往往是理论与现实相互作用、共同制约的结果。互作用、共同制约的结果。工业合成氨的有关计算工业合成氨的有关计算(2)反应达到平衡时，混合气体的体积为反应达到平衡时，混合气体的体积为716.8 L(标准状况下标准状况下)，其中，其中NH3的含量的含量(体积分数体积分数)为为25%。计算平衡时。计算平衡时NH3的物质的量。的物质的量。(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比之比n(始始)n(平平)_(写出最简整写出最简整数比，下同数比，下同)。(4)原混合气体中，原混合气体中，ab_。(5)达到平衡时，达到平衡时，N2

22、和和H2的转化率之比的转化率之比(N2)(H2)_。(6)平衡混合气体中，平衡混合气体中，n(N2)n(H2)n(NH3)_。【解析解析】(1)由反应的化学方程式可知，消由反应的化学方程式可知，消耗的耗的N2和生成的和生成的NH3的物质的量之比为的物质的量之比为12。即即n(N2)6 mol12，得，得n(N2)3 mol，因开始加入的因开始加入的N2的物质的量为的物质的量为 mol，故，故a31316。【答案答案】(1)a16(2)n平平(NH3)8 mol(3)54(4)23(5)12(6)332课堂达标即时巩固课堂达标即时巩固热点示例思维拓展热点示例思维拓展经典案例经典案例科学家一直致力

23、于研究常温、常科学家一直致力于研究常温、常压下压下“人工固氮人工固氮”的新方法。曾有实验报道：的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂在催化剂(掺掺有少量有少量Fe2O3的的TiO2)表面与水发生反应表面与水发生反应,生成生成的主要产物为的主要产物为NH3。进一步研究。进一步研究NH3生成量与生成量与温度的关系，部分实验数据见下表温度的关系，部分实验数据见下表(光照、光照、N2压力压力1.0105 Pa、反应时间、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量生成量/(106mol)4.85.96.02.0回答下列问题：回答下列问题

24、：(1)请以反应进程为横坐标，能量变化为纵坐请以反应进程为横坐标，能量变化为纵坐标，画出上述反应在有催化剂与无催化剂两标，画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。并进行必要标注。(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大反应速率且增大NH3生成量的建议：生成量的建议：_。【解析解析】(1)以反应进程为横坐标，能量变以反应进程为横坐标，能量变化为纵坐标画图，有催化剂时反应进行需要化为纵坐标画图，有催化剂时反应进行需要的能量低，且反应后生成物能量高于反应物的能量低，且反应后生成物能量高于反应物能量。能量。(2)升温或增大升温或增大N2浓度均能使平衡向正反应方浓度均能使平衡向正反应方向移动，从而提高反应速率，增大向移动，从而提高反应速率，增大NH3生成生成量，另外从体系中不断移出量，另外从体系中不断移出NH3，也能使平，也能使平衡向正反应方向移动，增大衡向正反应方向移动，增大NH3生成量。生成量。【答案答案】(1)(2)升高温度或增大升高温度或增大N2浓度或不断移出生成物浓度或不断移出生成物(3)66.7%0.005 mol2L2