2022版新教材化学鲁科版选择性必修第一册学案：2-4 化学反应条件的优化——工业合成氨 WORD版含解析.docx

1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨课标解读#课标要求素养要求1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。3.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。1.科学态度与社会责任：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、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。2.证据推理与模型认知：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。自主学习必备知识知识点一 合成氨反应的限

2、度1.反应原理已知在298K 时，N2(g)+3H2(g)2NH3(g) 的H=-92.2kJmol-1 ，S=-198.2JK-1mol-1 。2.反应特点 可逆 减小 能 3.有利于合成氨的条件a.外界条件： 降低 温度、 增大 压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。b.投料比：温度、压强一定时，N2 、H2 的体积比为 1:3 时平衡混合物中氨的含量最高。想一想 合成氨反应中，为了提高原料转化率，通常如何处理反应后的尾气？答案：将未能转化的N2 、H2 再通入合成塔中循环使用。判一判1.因为合成氨常温下是一个自发的反应，所以这个反应很容易发生( )2.在合成氨的工业生产中，反应物氮气和

3、氢气的转化率相等( )知识点二 合成氨反应的速率1.提高合成氨反应速率的方法 升高 增大 增大 催化剂 2.浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) ，由反应速率与参与反应的物质浓度的关系式可知： 增大 N2 或H2 的浓度， 减小 NH3 的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。知识点三 合成氨生产的适宜条件1.合成氨反应适宜条件分析（1）选择合成氨生产条件时，既不能片面地追求高 转化率 ，也不应只追求高 反应速率 ，而应该寻求 以较高的反应速率获取适当转化率 的反应条件。（2）考虑原料的 价格

4、 、未转化的合成气（氮气和氢气）的 循环使用 、 反应热 的综合利用等。2.合成氨的适宜条件影响因素选择条件（1）温度反应温度控制在 700K 左右（2）物质的量N2 、H2 投料比 1:2.8（3）压强11071108Pa （低压、中压和高压）（4）催化剂选择 铁 作催化剂（5）浓度使气态NH3 变成液态NH3 并及时分离出去，同时补充N2 、H23.合成氨的生产流程的三阶段想一想 （1）合成氨时，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？为什么？（2）合成氨时，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？为什么？答案：（1）不是。

5、压强越大需要的动力越大，对设备的制造要求越高。（2）不是。因为温度越低反应速率越慢，达到平衡所需时间越长，很不经济，所以实际生产中，采用700K 左右的温度（在此温度时催化剂的活性最大）。互动探究关键能力探究点 工业生产中选择适宜生产条件的原则情境探究在硫酸工业中，通过下列反应将SO2 氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H=-198kJmol-1 。已知催化剂是V2O5 ，在400500 时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2 的转化率：压强 转化率温度1105Pa1106Pa5106Pa1107Pa45097.5%99.2%99.6%99.7%55085.6%94.

6、9%97.7%98.3%问题1：根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽快地转化为三氧化硫，从化学反应速率的角度考虑，应该选择什么样的条件？答案：提示 高温、高压、催化剂。问题2：根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽量多地转化为三氧化硫，从化学反应限度的角度考虑，应该选择什么样的条件？答案： 提示 低温、高压。问题3：在实际生产中，选定400500 作为操作温度，其原因是什么？答案：提示 在此温度下催化剂的活性最高。问题4：根据表中的数据分析，制取SO3 时采用的压强是多少？原因是什么？答案：提示 1105Pa ，在该压强下SO2 的转化率就已经很高了，若采用高压，平衡能向

7、右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增加设备的成本。问题5：在生产中，通入过量空气的目的是什么？答案：提示 增大反应物O2 的浓度，提高SO2 的转化率。问题6：根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么?答案：提示 常压、450 、催化剂。探究归纳工业生产中选择适宜生产条件的原则1.从可逆性、反应前后气态物质化学计量数的大小关系、焓变三个角度分析化学反应的特点。2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响;从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反

8、应物的浓度、减小反应产物的浓度不断地补充反应物，及时地分离出反应产物催化剂加合适的催化剂加合适的催化剂温度高温H0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性压强高压（有气体参加）g0低压兼顾速率和平衡，选择适宜的压强探究应用例 （2021广东惠州高二月考）合成氨工业的发展大大提高了粮食产量，促进了国民经济和国防工业的发展。合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是( )减压 加压 升温 降温 及时从平衡混合气中分离出NH3 补充N2 或H2 加催化剂 减小N2 或H2 的量A.B.C.D.答案： B解析：解答本题需注意以下三点：合成氨反应的特点；影响化

9、学反应速率和化学平衡的因素;合成氨适宜条件的选择。合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0 为正反应放热且气体体积减小的反应。要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选B。解题感悟 化工生产条件的选择需要注意的问题（1）选取适宜的化工生产条件时，既要考虑反应速率问题，又要考虑化学平衡移动的问题，同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。（2）温度的选择，不仅要考虑速率、平衡问题，同时还要照顾到催化剂的活性。（3）压强的选择，除了考虑速率和平衡问题，还要考虑对设备的技术要求和成本问题。迁移应用1.在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正

10、确的是( )A.都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B.都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响D.使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果答案： C解析：对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ，使用催化剂只能加快反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能加快反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3 的方向移动。2.（）合成氨工业中，原料气（N2 、H2 及少量CO 、NH3 的混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜（）溶液来

11、吸收原料气中的CO ，其反应是Cu(NH3)2Ac+CO+NH3Cu(NH3)3AcCOH0 。（注：Ac- 表示CH3COO- ）（1）必须除去原料气中CO 的原因为 。（2）醋酸二氨合铜（）溶液吸收CO 的生产适宜条件应是 。（3）吸收CO 后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO 的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是 。 答案：（1）防止合成塔中的催化剂中毒 （2）低温、高压 （3）高温、低压解析：分析吸收CO 反应的特点：正反应是气体体积减小的放热反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。评价检测素养提升课堂检测1.合成氨反应达到

12、平衡时，NH3 的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是( )A.提高分离技术B.研制耐高压的合成塔C.研制低温催化剂D.探索不用N2 和H2 合成氨的新途径答案： C解析：由题图可知,NH3 的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3 的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K ，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。2.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是( )A.升高温度B.减小压强C.使用催化剂D.及时分离出氨气答案： D解析：合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度

13、，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。3.（2021山东德州高二月考）哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )A.B.C.D.答案：B解析：氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反应是气体体积减小的放热反应。净化气体是为了防止杂质

14、气体对催化剂产生影响，不能提高原料的转化率，不符合题意；加压，平衡正向移动，可以提高原料的利用率，符合题意；使用催化剂，可以加快反应速率，但平衡不移动，不能提高原料转化率，不符合题意；分离出氨气，平衡正向移动，提高了原料的转化率，符合题意；氮气和氢气再循环，可提高原料的转化率，符合题意。4.（）合成氨反应通常控制在2050MPa 的压强和500 左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1:2.8，经测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度（体积分数）如下表所示:20MPa60MPa50019.1%42.2%而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约15% ，这表明( )A.表中所测数

15、据有明显误差B.生产条件控制不当C.氨的分解速率大于预测值D.合成塔中的反应并未达到平衡答案： D解析：合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。素养视角1.（2021山东泰安高二月考）合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。（1）X 的化学式为 。（2）上图中条件选定的主要原因是 （填字母）。A.温度、压强对化学平衡的影响B.铁触媒在该温度时活性大C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制（3）改变反应条件，会使平衡发生移动。下图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是 （填字母，下同），当横坐标为温度时，变化趋势正确的是 。答案：（1）NH3（2）B ; C（3）c ; a解析：（1）原料气N2 和H2 在一定条件下反应，生成的NH3(X) 冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2 、H2(Y) 进行循环利用。（2）温度选择在500 并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当加快化学反应速率，压强选择2050MPa 是从化学平衡理论分析的，压强增大，平衡向生成NH3 的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大。（3）考查压强、温度对化学平衡的影响。