1、第二章第二章第第4 4节节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨学习目标学习目标知识体系知识体系1. 1.结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展速率、能耗的多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色绿色化学化学”的观念和辩证思维的能力。的观念和辩证思维的能力。2.2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。解释生产、生活、实验室中的实际问题。化工生
2、产过程中反应条件的优化化工生产过程中反应条件的优化反应条件优化的目的：反应条件优化的目的：降低生产成本，提高经济效益降低生产成本，提高经济效益化学反应的限度化学反应的限度化学反应的速率化学反应的速率生产的高效益生产的高效益生产的高效率生产的高效率生产条件对生产设备的要求等投资成本生产条件对生产设备的要求等投资成本经济效益经济效益化学反应的方向化学反应的方向生产的科学性生产的科学性交流研讨交流研讨阅读课本第阅读课本第76-7776-77页，以合成氨为例来分析反应条件的选择页，以合成氨为例来分析反应条件的选择1.1.请根据正反应的焓变和熵变分析在请根据正反应的焓变和熵变分析在298298K K下合
3、成氨反应能否自下合成氨反应能否自发进行？发进行？2.2.根据合成氨反应的特点根据合成氨反应的特点, ,利用利用影响影响化学平衡移动化学平衡移动的因素的因素, ,分析分析什么条件什么条件有利于氨有利于氨的合成的合成？HTS= 92.2KJmol-1298K(198.210-3KJK-1 mol -1 ) = 33.1KJmol-10反应能自发进行反应能自发进行降低温、增大压强有利于化学平衡正向移动，降低温、增大压强有利于化学平衡正向移动，N2、H2浓度比为浓度比为1：3，平衡混合物中氨的含量最高，平衡混合物中氨的含量最高。一、合成氨反应的限度一、合成氨反应的限度1 1、结合影响反应速率的因素，结
4、合影响反应速率的因素，你认为通过控制什哪些反应你认为通过控制什哪些反应条件条件来提高合成氨反应的速率？来提高合成氨反应的速率？(1)(1)温度：温度： (2)(2)压强：压强：(3)(3)浓度：浓度： (4)(4)催化剂：催化剂：二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率升高温升高温度度增大压增大压强强增大反应物浓度增大反应物浓度使用催化剂使用催化剂交流研讨：交流研讨：2 2、实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质、实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为：的浓度的关系为：v v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请
5、你根据关系式分析：各物质的浓度浓度对对反反应速率有哪些影响？应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？可以采取哪些措施来提高反应速率？增大增大N2、H2浓度浓度,将氨及时从混合气中分离出去将氨及时从混合气中分离出去阅读课本第阅读课本第77-7877-78页页3 3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件Ea /KJmol-1K(催催)/K(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用FeFe催化剂催化剂167使用催化剂可使合成氨反
6、应的速率提高上万亿倍。使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。催化剂的选择性、高效性、局限性。催化剂的选择性、高效性、局限性。如何提高催化剂的活性（自身成分、温度、粒度、合成方如何提高催化剂的活性（自身成分、温度、粒度、合成方法、反应温度及压强）。法、反应温度及压强）。如何防止催化剂中毒。如何防止催化剂中毒。阅读课本第阅读课本第7878页化学与技术，了解工业合成氨的催化历程页化学与技术，了解工业合成氨的催化历程1 1、根据合成氨反应的特点根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率衡转化率和反应速率？请填写？请填写课本第课本第7979
7、页页表表格格三、合成氨的适宜条件三、合成氨的适宜条件交流研讨交流研讨既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？在合成氨工业中压强是否越大越好？既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？是否温度越低越好？在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？动没有影响，为什么还要使用呢？2 2、请你尝试为合成氨选择适宜条件、请你尝试为合成氨选择适
8、宜条件合成氨适宜条件合成氨适宜条件催化剂催化剂_温度温度_根据设备动力选择压强根据设备动力选择压强_NN2 2、H H2 2投料比投料比_及时分离及时分离_铁铁700K700K左右左右( (催化剂的活性温度催化剂的活性温度) )1 110107 7 1 110108 8PaPa1:2.81:2.8氨气氨气1、已知、已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) H0其实验数据见表其实验数据见表(1) 应选用的温度是应选用的温度是_。应采用的压强是应采用的压强是_，理由是，理由是_。450常压常压因为常压下因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，的转化率已经很高，若采用较大压强，SO
9、2的转化率提高的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高练习：练习：2、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（ ） A、低温、高压、适当的催化剂、低温、高压、适当的催化剂 B、高温、常压、高温、常压 C、尽可能高温、高压、尽可能高温、高压 D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂D3.下列有关工业合成氨的叙述中正确的是下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( ) A.温度升高，不利于提高合成氨的反应速率温度升高，不利于提高合成氨的反应速率 B.工业上选择合适的条件，可以使氮气
10、全部转化为氨工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨 C.合成氨反应化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等合成氨反应化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等因素的影响因素的影响 D.使用铁催化剂，可以使氮气和氢气化合的速率明显加快使用铁催化剂，可以使氮气和氢气化合的速率明显加快CD4.在一定温度下，在恒压容器在一定温度下，在恒压容器 a 与恒容容器与恒容容器 b 中，分别盛入体积中，分别盛入体积比为比为1 3 的的N2和和H2，开始时体积相同，达到平衡时，开始时体积相同，达到平衡时,N2的转化率的转化率应该是应该是( ) A. a大大 B. b大大 C. a、b一样大一样大 D.不一
11、定不一定A5.在容积可变的密闭容器中，在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和和8 mol H2在一定条件下在一定条件下反应，达到平衡时，反应，达到平衡时，H2的转化率为的转化率为25%，则平衡时氨气的体积分，则平衡时氨气的体积分数接近于数接近于( ) A.5% B.10% C.15% D.20%C平衡后，恒压容器平衡后，恒压容器 压强大，压强大， 恒容容器容积大！恒容容器容积大！ 列三段式列三段式 6.下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是( ) A、H2的消耗速率与的消耗速率与NH3的生成速率之比为的生成速率之比为3 2 B、混合气体的平均相
12、对分子质量不再改变、混合气体的平均相对分子质量不再改变 C、N2的生成速率与的生成速率与NH3的生成速率之比为的生成速率之比为1 1 D、密闭容器中、密闭容器中H2、N2、NH3的物质的量之比为的物质的量之比为3 1 2B7、合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。、合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。(1)下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理来解释的是下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理来解释的是_。 A、使用铁催化剂有利于合成氨的反应、使用铁催化剂有利于合成氨的反应 B、高压比常压更有利于合成氨的反应、高压比常压更有利于合成氨的反应 C、500 左右比室温更有利于合
13、成氨的反应左右比室温更有利于合成氨的反应 D、使反应混合物中的氨液化后分离有利于合成氨的反应、使反应混合物中的氨液化后分离有利于合成氨的反应AC(2)已知工业合成氨已知工业合成氨N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1。一定温度下，在容积恒定的密闭容器中，一定量的一定温度下，在容积恒定的密闭容器中，一定量的 N2 和和 H2 反反应达到平衡后，改变某一外界条件，反应速率与时间的关系如下应达到平衡后，改变某一外界条件，反应速率与时间的关系如下图所示，其中图所示，其中t2、t4、t7时刻所对应的实验条件改变分别是：时刻所对应的实验条件改变分别是：t2 t4 t7 。增
14、大增大N N2 2或或H H2 2的浓度的浓度 加入催化剂加入催化剂 降温降温增上减下、增上减下、哪移哪大、哪移哪大、温压要断、温压要断、浓度相连浓度相连规律总结：规律总结：温度为温度为T 时，将时，将2a mol H2和和a mol N2放入放入0.5 L密闭容器中，密闭容器中，充分反应达平衡后测得充分反应达平衡后测得N2的转化率为的转化率为50%，此时放出热量，此时放出热量46.1 kJ，则该温度下反应的平衡常数为则该温度下反应的平衡常数为_。 4.0用三段式计算：用三段式计算： N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)起始物质的量浓度起始物质的量浓度(molL-1)： 2a 4a 0
15、转化物质的量浓度转化物质的量浓度(molL-1)： a 3a 2a平衡物质的量浓度平衡物质的量浓度(molL-1)： a a 2a平衡常数平衡常数K=4a2/a4=4/a2平衡时放出热量平衡时放出热量46.1 kJ，则平衡时，则平衡时N2转化了转化了0.5 mol，0.5a=0.5 mol，a=1.0，K=4.0。8.在硫酸工业中在硫酸工业中,通过下列反应使通过下列反应使SO2氧化成氧化成SO3：2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)H =-198kJmol-1 。如表为不同温度和压强下。如表为不同温度和压强下SO2的转化率的转化率(%)催化剂=(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能
16、转化为三氧化硫，可控从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是制的条件是_。(2)实际生产中，选定实际生产中，选定400 500 作为操作温度其原因是作为操作温度其原因是_。(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。(4)在生产中，通入过量空气的目的在生产中，通入过量空气的目的_。(5)尾气中的尾气中的SO2必须回收是为了必须回收是为了_。低温，高压低温，高压该温度催化剂的活性最高，选择此温度可提高反应速率，缩短该温度催化剂的活性最高，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间反应达到平衡所需要的时间因为在常压下因为
17、在常压下400 500 时时SO2的转化率已经很高了，若再的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不合适合适增大氧气的浓度，使平衡向生成增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高二氧的方向移动，提高二氧化硫的转化率化硫的转化率减少对环境的污染减少对环境的污染9、0.1 mol CO2与与0.3 mol C在恒压密闭容器中发生反在恒压密闭容器中发生反应应:CO2(g)+C(s) 2CO(g)。平衡时。平衡时,体系中各气体的体积分数与体系中各气体的体积分数与温度的关系如图。已知温度的关系如图。已知:用气体分压表示的化学平衡常数用气体分压表示的化学平衡常数Kp= P2平平(CO)/P平平(CO2) ;气体分压气体分压(p分分)=气体总压气体总压(p总总)体积分数。下列说体积分数。下列说法正确的是法正确的是() A.650 时时,CO2的平衡转化率为的平衡转化率为25% B.800 达平衡时达平衡时,若充入气体若充入气体He,v正正v逆逆 D.925 时时,用平衡气体分压表示的化学平衡常数用平衡气体分压表示的化学平衡常数Kp=23.04p总总 ADCO%CO2%都是平衡点都是平衡点
