选修4 化学反应原理第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨教案

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨

目标与素养：1.知道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。(变化观念和平衡思想)2.初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。(科学态度与社会责任)

1．合成氨反应的限度

(1)反应原理

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。

(2)反应特点

(3)影响因素

①外界条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。

②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百分含量最高。

微点拨：合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。

2．合成氨反应的速率

(1)增大合成氨反应速率的方法

(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加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：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。

微点拨：温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。

3．合成氨适宜条件的选择

(1)合成氨反应适宜条件分析

工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。

(2)合成氨的适宜条件

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)合成氨反应在高温下能自发进行。 (　　)

(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)

(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。 (　　)

(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)

[提示]　(1)×　合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温小于0。

(2)×　合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。

(3)√

(4)×　催化剂同倍数的加快正、逆反应速率，对转化率无影响。

2．工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是(　　)

①适当提高氨的合成速率　②提高H2的转化率　③提高氨的产率　④催化剂在700 K时活性最大

A．只有①　　　　　　 B．①②

C．②③④ D．①④

D　[合成氨反应采用700 K左右的温度的原因是考虑反应速率和催化剂的活性。]

3．利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率所采取的措施是(　　)

A．高温 B．高压

C．使用催化剂 D．增大N2的浓度

B　[合成氨反应是气体系数减小的放热反应，据勒·夏特列原理可知高压利于提高N2的转化率。]

【典例】　可逆反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　)

A．升高温度，减小压强，增加氮气

B．降低温度，增大压强，加入催化剂

C．升高温度，增大压强，增加氮气

D．降低温度，增大压强，分离出部分氨

D　[本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小生成物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。]

(1)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？为什么？

(2)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？为什么？

(3)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？

[答案]　(1)不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的压强和设备的制造要求越高，一般采用2×107～5×107Pa

(2)不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500 ℃左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。

(3)为了加快反应速率，采用以铁为主的催化剂。

1．有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　)

A．增大H2的浓度，可提高H2的转化率

B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高

C．合成氨工业的反应温度控制在500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动

D．合成氨厂采用的压强是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大

B　[A项，增大H2的浓度，H2的转化率减小；C项，温度控制在500 ℃的目的是催化剂活性最大；D项，压强采用2×107～5×107 Pa是考虑对设备材料的要求。]

2．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)

ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)

A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成

B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率

C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高

D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量

D　[工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。]

1．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

B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨

C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响

D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气转化率明显增大

C　[温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性温度三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，但不影响化学平衡，不能增大转化率，D项错误。]

2．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是(　　)

A．高温、高压　　　 B．适宜温度、高压、催化剂

C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂

B　[该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。]

3．硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O22SO3的说法中正确的是(　　)

A．只要选择适宜的条件，SO2和O2就能全部转化为SO3

B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零

C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多

D．在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题

D　[反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，A错；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。]

4．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)

A．①②③ B．②④⑤

C．①③⑤ D．②③④

[答案]　B

5．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol－1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：

(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是_______________________________。

(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其____________________。

(3)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是_______________________________

________________________________________________________________

(5)尾气中有SO2必须回收是为了___________________________________。

[答案]　(1)常压、450 ℃、催化剂

(2)在此温度下催化剂的活性最高

(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失

(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率

(5)防止污染环境