《2020版化学鲁科版选修4学案：第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版化学鲁科版选修4学案：第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第 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 核心素养发展目标 1.变化观念与平衡思想：知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析 合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。2.科学态度与社会 责任：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应用，探索最适宜的化工生 产条件。 一、合成氨反应的限度、速率 1合成氨反应的特点 合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知 298 K 时：H92.2 kJmol1， S198.2 Jmol1K1。 (1)可逆性：反应为可逆反应。 (2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。 (3)焓变
2、：H甲 CH2的平衡转化率：乙甲 D平衡混合气体中 H2的体积分数：乙甲 答案 D 解析 因为乙容器中的原料投入量正好是甲的 2 倍，故 A 项正确；假设开始时乙容器的体 积是甲的 2 倍(如图甲、虚拟乙)，再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等(如图乙)， 则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即 N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混 合气体中的体积分数减小，故 C 项正确、D 项错误；平衡时，乙中 N2、H2、NH3的浓度分 别比甲中 N2、H2、NH3浓度大，但乙中 N2、H2的浓度要分别小于甲中 N2、H2浓度的 2 倍， 而乙中 NH3的浓度要大于甲中 NH3浓度的 2 倍，故 B
3、 项正确。 考点 合成氨反应的限度、速率 题点 合成氨反应转化率等的分析比较 13在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g) 3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中 NH3的质量分数(y 轴所表示的)，绘 成图像如图所示，请回答下列问题： (1)A、B、C、D、E 五点中，肯定未达平衡的点是 _。 (2)此可逆反应的正反应是_热反应。 (3)AC 曲线是增函数曲线，CE 曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分 析，并说明理由：_ _ _ _。 答案 (1)A 点、B 点 (2)放 (3)AC 曲线是增函数曲线，温度升高，反
4、应速率加快，生成 NH3的质量分数增大；CE 曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后， 温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低 解析 (1)从图像中看出 C 点时，NH3的质量分数最高，说明 A、B 两点均未达到平衡。 (2)达到平衡(C 点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。 考点 合成氨反应的限度、速率 题点 合成氨反应的图像分析 14如图表示 298.15 K 时，N2、H2与 NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据 图回答下列问题： (1)若反应中生成 2 mol 氨，则反应_(填“吸热”或“放热”)_kJ。 (2)图中
5、曲线_(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应 速率的原理是_ _。 (3)合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线 a 对 应的温度为 500 ，则曲线 b 对应的温度可能是_(填字母)。 A600 B550 C500 D450 (4)合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备。发生反应为 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g) H0。一定温度下，在 1 L 容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/minCH4/molL1H2O/molL1CO/molL1 H2/molL 1 00.20.300 2n1n2n30
6、.3 3n1n2n30.3 40.090.19x0.33 表中 x_molL1；前 2 min 内 CH4的平均反应速率为_。 反应在 34 min 之间，氢气的物质的量增多的原因可能是_(填字母)。 A充入水蒸气 B升高温度 C使用催化剂 D充入氢气 答案 (1)放热 92 (2)b 改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能 (3)D (4) 0.11 0.05 molL1 min1 B 解析 (1)由图中能量状态可知 N2与 3H2具有的总能量高于 2NH3所具有的能量，故该反应 为放热反应，并且反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)，每生成 2 mol NH3放出(600508)
7、kJ92 kJ 热量。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能 降低，从而加快了反应速率，故曲线 b 代表加催化剂后的能量变化曲线。(3)对于合成氨反 应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中 NH3的体积分 数降低。图像中，当压强不变时，曲线 b 对应的温度下平衡混合物中 NH3的体积分数大于 曲线 a 对应的 NH3的体积分数，所以曲线 b 对应的温度低于曲线 a 对应的温度。(4) 前 2 min 内 CH4的反应速率为 v(CH4) v(H2) 0.05 molL1 min1。由表 1 3 1 3 0.3 molL1 2 min 分
8、析 23 min 时，反应达到平衡状态，此时生成 H2的浓度为 0.3 molL1。 CH4(g)H2O (g)CO(g)3H2(g) 起始浓度 molL1 0.2 0.3 0 0 转化浓度 molL1 0.1 0.1 0.1 0.3 2 和 3 min 浓度(molL1) 0.1 0.2 0.1 0.3 34 min 转化浓度 molL1 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min 时浓度 molL1 0.09 0.19 0.11 0.33 所以 x0.11 molL1。 3 min 时，若充入水蒸气，平衡向右移动，4 min 时，水蒸气浓度应大于 0.2 molL1 ； 若升高温度
9、，平衡向右移动，反应物浓度均减小，生成物浓度均增加，而且变化量正好等于 化学方程式系数比，该条件符合要求；使用催化剂，平衡不移动；充入 H2，平衡向左移动， 生成物浓度均多于 2 min 时的浓度。 15科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、 常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量 Fe2O3的 TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产 物为 NH3。进一步研究 NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压强 1.0105 Pa、反应时间 3 h)： T/K303313323353 NH3生成量/106 mol 4.85.96.02.0 相
10、应的热化学方程式如下： N2(g)3H2O(l)2NH3(g) O2(g) H765.2 kJ mol1 3 2 回答下列问题： (1)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。请提出可提高其反 应速率且增大 NH3生成量的建议： _。 (2)工业合成氨的反应为 N2(g)3H2(g)2NH3(g)。设在容积为 2.0 L 的密闭容器中 高温、高压 催化剂 充入 0.60 mol N2(g)和 1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数 (NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为 。计算： 4 7 该条件下 N2的平衡转化率 _。
11、该条件下反应 2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为 高温、高压 催化剂 _。 根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是_(填字母)。 a研制耐高压的合成塔 b采用超大规模的工业生产 c研制耐低温复合催化剂 d探索不用 H2和 N2合成氨的新途径 答案 (1)升温、增大 N2浓度、不断移出生成物 (2)66.7% 5.0103 mol2L2 c 解析 (2)设反应过程消耗 x mol N2(g)。 N2(g) 3H2(g)2NH3(g) 高温、高压 催化剂 起始物质的量mol 0.60 1.60 0 平衡物质的量mol 0.60x 1.603x 2x 平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) mol NH3(g)的物质的量分数为 2x 2.202x 4 7 解得，x0.40，N2的平衡转化率为100%66.7%。 0.40 mol 0.60 mol 设此时反应 2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为 K。平衡时，NH3 2 0.40 2 molL10.40 molL1 ，N2 molL10.10 molL1，H2 0.600.40 2.0 1.603 0.40 2 molL10.20 molL1，K5.0103 mol2L2。 N2H23 NH32
