高二化学-知识讲解_化学反应条件的优化—工业合成氨(提高).doc
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1、化学反应条件的优化工业合成氨编稿:宋杰 审稿:张灿丽【学习目标】1、能用平衡移动原理(勒夏特列原理)解释一些生活、生产问题;2、理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨的适宜条件;3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。【要点梳理】要点一、合成氨反应原理和特点。 1、反应原理:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。 2、反应特点。 可逆反应;正反应是放热反应;正反应是气体体积缩小的反应;氨很容易液化。要点二、合成氨适宜条件的选择。 1、适宜生产条件选择的一般原则。 对任一可逆反应,增大反应物浓度,能提高反应速率和转化率,故生产中常使廉价易得的原料适当过量,以提高另一原料的利用率,如
2、合成氨中氮气与氢气的配比为12.8。 选择条件时既要考虑反应的快慢反应速率越大越好,又要考虑反应进行的程度使化学平衡尽可能向正反应方向移动,来提高氨在平衡混合物中的体积分数。 2、合成氨条件选择的依据。 运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识,同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。 3、合成氨条件的理论分析(见下表)。反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中NH3的含量的影响合成氨条件的选择增大压强有利于增大化学反应速率有利于提高平衡混合物中NH3的产量压强增大,有利于氨的合成,但需要的动力大,对材料、设备等的要求高,因此,工业上一般采用20 MPa30
3、MPa的压强升高温度有利于增大化学反应速率不利于提高平衡混合物中NH3的含量温度升高,化学反应速率增大,但不利于提高平衡混合物中NH3的含量,因此合成氨时温度要适宜,工业上一般采用500左右的温度(因该温度时,催化剂的活性最大)反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中NH3的含量的影响合成氨条件的选择使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响催化剂的使用不能使平衡发生移动,但能缩短反应达到平衡的时间,工业上一般选用铁触媒作催化剂,使反应在尽可能低的温度下进行 归纳 合成氨的适宜条件: (1)温度:500左右; (2)压强:20 MPa30 MPa; (3)催化剂:铁触媒(500时其活性最强)。
4、除此之外,还应及时将生成的氨分离出来,并不断地补充原料气(N2和H2),以有利于合成氨反应。要点三、合成氨工业的简介。合成氨工业的简要流程: 合成氨生产示意图2-4-1: 1、原料的制取 氮气:将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO2,除去CO2后得氮气。 氢气:用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。主要反应有: C+H2O(g)CO+H2 CO+H2O(g)CO2+H2 CH4+H2O(g)CO+3H2 2CH4+O22CO+4H2 2、制得的氮气和氢气需净化、除杂质,再用压缩机压缩至高压。 3、氨的合成:在适宜的条件下,在合成塔中进行。反应原理为N2+3
5、H22NH3。 4、氨的分离:经冷凝使氨液化,将氨分离出来,提高原料的利用率,并将未反应的氮气和氢气循环送入合成塔,使其充分被利用。 要点诠释:循环操作过程是没有转化为生成物的反应物又重新回到反应设备中参加反应的过程。显然循环操作过程可以提高反应物的转化率,使反应物尽可能地转化为生成物,提高经济效益。 由于存在循环操作过程,从理论上讲,即使是可逆反应,反应物最终全部转化为生成物。 5、合成氨生产的发展前景。 合成氨条件的选择与科技进步、动力、材料、设备等条件的改善紧密相连,并将随之作相应改变。目前,人们正在研究使合成氨反应在较低温度下进行的催化剂以及研究化学模拟生物固氮等,以进一步提高合成氨的
6、生产能力。【典型例题】类型一、勒夏特列原理及其应用例1、钾是一种活泼的金属,工业上通常用金属钠和氯化钾在高温下反应制取。该反应为Na (1)+KCl (1) NaCl (1)+K (g) H0,该反应的平衡常数可表示为K=c (K)。各物质的沸点与压强的关系见下表。压强kPa13.3353.32101.3K的沸点590710770Na的沸点700830890KCl的沸点1437NaCl的沸点1465 (1)在常压下金属钾转变为气态,从反应混合物中分离的最低温度约为_,而反应的最高温度低于_。 (2)在制取钾的过程中,为了提高原料的转化率可以采取的措施是_。 (3)常压下,当反应温度升高至900
7、时,该反应的平衡常数可表示为K=_。 【思路点拨】本题考查勒夏特列原理的应用,注意只有在涉及到化学平衡的内容时才能用到该原理。【答案】(1)770 890 (2)降低压强或移去钾蒸气,适当升高温度 (3)c(K)c(Na) 【解析】要分离K,需K为气态,而其他物质为固态或液态,所以温度应该要高于770低于890,提高原料的转化率要降低压强或移去钾蒸气,适当升高温度,使平衡向正方向移动。当升高至900时,Na为气态,所以K=c(K)c(Na)。举一反三:【变式1】在硫酸工业生产过程中,有反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应),根据下表所提供的不同压强下SO2的转化率()
8、的数据,试选择该反应的适宜条件(以V2O5作催化剂)。压强Pa转化率%温度11055105101055010510010545097.598.999.299.699.750085.692.994.997.798.3 【答案】450;1105 Pa(常压)。【解析】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SO2的催化氧化的转化率影响不大。【变式2】(2015 抚顺期末)下列对化学平衡移动的分析中,不正确的是( )。已达平衡的的反应C(s)
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