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1、第四节化学反应的调控第四节化学反应的调控目目标素素养养1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。科学研究中的重要作用。2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响能运用温度、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。规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。3.能针对合成氨典型案例能针对合成氨典型案例,从限度和速率等角度综合分析化学从限度和速率等角度综合分析化学反应和化工生产条件的选择和优化。反应和化工生产条件的选择和优化。知知识概概览一、合成氨反应的理论分析一、合成
2、氨反应的理论分析1.反应特点。反应特点。根据合成氨的热化学方程式根据合成氨的热化学方程式:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4kJmol-1。可知合成氨反应的特点可知合成氨反应的特点:(1)能自发进行。能自发进行。(2)可逆反应。可逆反应。(3)正反应是正反应是放放热反应。热反应。(4)正反应是气体物质的量正反应是气体物质的量减小减小的反应。的反应。2.可以增大合成氨反应速率的措施有可以增大合成氨反应速率的措施有升高温度、增大压强、升高温度、增大压强、增大反应物浓度及使用催化剂增大反应物浓度及使用催化剂等等;可以提高平衡混合物中可以提高平衡混合物中氨的含量的措施有氨的含量的措施
3、有降低温度、增大压强、增大反应物浓度降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。等。3.在一定温度和压强下在一定温度和压强下,反应物反应物N2和和H2的物质的量之比为的物质的量之比为1 3时平衡混合气中氨的含量最高。为提高原料的利用率时平衡混合气中氨的含量最高。为提高原料的利用率,可将未转化的可将未转化的N2和和H2分离后循环使用。分离后循环使用。微判断微判断(1)合成氨反应的正反应放热合成氨反应的正反应放热,降低温度有利于反应正降低温度有利于反应正向进行向进行,所以温度越低越好。所以温度越低越好。()(2)合成氨反应中使用催化剂可增大反应速率合成氨反应中使用催化剂可增大反应速率,提高单位时间提高单
4、位时间内氨的产率。内氨的产率。()(3)采取最合适的生产条件采取最合适的生产条件,可使合成氨反应中原料的转化率可使合成氨反应中原料的转化率达到达到100%。()(4)合成氨工业将分离氨后的原料气循环使用可提高原料的合成氨工业将分离氨后的原料气循环使用可提高原料的利用率。利用率。()二、工业合成氨的适宜条件的选择二、工业合成氨的适宜条件的选择1.选择原则。选择原则。(1)尽量增大反应物的尽量增大反应物的转化率转化率,充分利用充分利用原料原料。(2)选择较快的选择较快的化学反应速率化学反应速率,提高单位时间内的提高单位时间内的产量产量。(3)考虑设备的要求和技术条件。考虑设备的要求和技术条件。2.
5、工业合成氨反应的适宜条件。工业合成氨反应的适宜条件。(1)压强。压强。适宜条件适宜条件:10MPa30MPa。理论依据理论依据:压强越大压强越大,需要的动力需要的动力越大越大,对材料的强度和对材料的强度和设备的制造要求就越高设备的制造要求就越高,这会大大增加生产投资这会大大增加生产投资,降低综合经降低综合经济效益。济效益。(2)温度。温度。适宜条件适宜条件:400500。理论依据理论依据:该温度下催化剂的活性该温度下催化剂的活性最强最强,反应速率比较反应速率比较大大,氨的含量也相对较高。氨的含量也相对较高。(3)催化剂。催化剂。适宜条件适宜条件:以以铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂
6、(又称铁触媒又称铁触媒)。(4)浓度。浓度。适宜条件适宜条件:采用迅速冷却的方法采用迅速冷却的方法,使气态氨变成液氨后及时使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去从平衡混合物中分离出去;原料气循环使用原料气循环使用,及时补充及时补充N2和和H2。理论依据理论依据:减小生成物浓度减小生成物浓度,提高反应物的转化率。提高反应物的转化率。三、化学反应的调控三、化学反应的调控影响化学反应进行的因素有两个方面影响化学反应进行的因素有两个方面,一是参加反应的物质一是参加反应的物质的的组成、结构和性质组成、结构和性质等本身因素等本身因素,二是二是温度、压强、温度、压强、浓度、催化剂浓度、催化剂等反应条件
7、。化学反应的调控等反应条件。化学反应的调控,就是通过改就是通过改变变反应条件反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行使一个可能发生的反应按照某一方向进行,综合考虑影响综合考虑影响化学反应速率化学反应速率和和化学平衡化学平衡的因素。的因素。微训练微训练1.下列有关合成氨工业的叙述下列有关合成氨工业的叙述,可用勒夏特列原理来可用勒夏特列原理来解释的是解释的是()。A.使用铁触媒使用铁触媒,使使N2和和H2混合气体有利于合成氨混合气体有利于合成氨B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应高压比常压条件更有利于合成氨的反应C.400500比室温更有利于合成氨的反应比室温更有利于合成氨的反应D.合成氨时
8、采用循环操作合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率可提高原料的利用率答案答案:B解析解析:催化剂不影响平衡移动催化剂不影响平衡移动;合成氨采用合成氨采用400500是综合是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性后选择的温度考虑反应速率、转化率及催化剂的活性后选择的温度;采用采用循环操作与平衡移动无关。循环操作与平衡移动无关。2.一定条件下一定条件下,将将10.0molH2和和1.0molN2充入恒容密闭容器充入恒容密闭容器中中,发生反应发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并达到平衡状态并达到平衡状态,则则H2的转化率可能是的转化率可能是()。A.15%B.30%C.35%D.75
9、%答案答案:A解析解析:对可逆反应而言对可逆反应而言,任何一种物质都不能完全转化。利用任何一种物质都不能完全转化。利用“极限法极限法”,假设假设N2完全转化完全转化,则消耗的则消耗的H2的物质的量为的物质的量为n(H2)=3n(N2)=3.0mol,但事实上但事实上,N2是不可能完全转化的是不可能完全转化的,因而消耗的因而消耗的H2的物质的量一定小于的物质的量一定小于3.0mol,故故H2的转化的转化率率3.合成氨反应为合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4kJmol-1,K=6.6105。(1)从平衡常数来看从平衡常数来看,反应的限度已经很大了反应的限度已经很大了,
10、还需要使用催化还需要使用催化剂的原因是剂的原因是。(2)试分析实际生产中采取试分析实际生产中采取400500的温度的原因是的温度的原因是。(3)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和增大化学反应压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和增大化学反应速率速率,而实际采用的压强为而实际采用的压强为10MPa30MPa,不采用更高的压不采用更高的压强强,其原因是其原因是 。答案答案:(1)增大化学反应速率增大化学反应速率,提高单位时间的产量提高单位时间的产量(2)温度升高温度升高,不利于增大反应物的转化率不利于增大反应物的转化率,温度过低温度过低,反应速率反应速率小小,单位时间内单位时间内NH3的产量低的产
11、量低,并且在此温度时并且在此温度时,催化剂的活性催化剂的活性最大最大(3)实际生产中实际生产中,应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。采用更高的压强标来选择压强。采用更高的压强,对设备和材料的要求更高对设备和材料的要求更高,需要的动力更大需要的动力更大,会增加投资和能量消耗会增加投资和能量消耗,降低综合经济效益降低综合经济效益工业生产中选择适宜生产条件的思路重难归纳1.分析化学反应的特点分析化学反应的特点:从可逆性、反应前后气体体积的变化、从可逆性、反应前后气体体积的变化、焓变三个角度分析。焓变三个角度分析。2.根据反应特点具体分析外界条件对
12、化学反应速率和化学平根据反应特点具体分析外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响衡的影响。3.从化学反应速率和化学平衡的角度进行综合分析从化学反应速率和化学平衡的角度进行综合分析,再充分考再充分考虑实际情况虑实际情况,选出适宜的外界条件选出适宜的外界条件。外界外界条件条件有利于增大反有利于增大反应速率的措施应速率的措施有利于平衡正向移动有利于平衡正向移动的措施的措施综合分析结果综合分析结果浓度浓度增大反应物浓增大反应物浓度度增大反应物浓度、减增大反应物浓度、减小生成物浓度小生成物浓度不断补充反应不断补充反应物物,及及时时分离出生成物分离出生成物压强压强增大压强增大压强(有有气体参加气体参加)反应
13、后气体体反应后气体体积减小积减小增大增大压强压强设备条件允许的前设备条件允许的前提下提下,尽量采取高压尽量采取高压反应后气体体反应后气体体积增大积增大减小减小压强压强兼顾速率和兼顾速率和平衡平衡,选选取取适宜的压强适宜的压强外界外界条件条件有利于增有利于增大反应速大反应速率的措施率的措施有利于平衡有利于平衡正向移动的正向移动的措施措施综合分析结果综合分析结果温度温度升高温度升高温度H0升高升高温度温度在设备条件允许的前提下在设备条件允许的前提下,尽尽量采取高温并考虑催化剂的量采取高温并考虑催化剂的适宜温度适宜温度催化剂催化剂加合适的加合适的催化剂催化剂无影响无影响加合适的催化剂加合适的催化剂,
14、考虑催化剂考虑催化剂活性与温度关系活性与温度关系在工业生产和生活中在工业生产和生活中,人们为了达到某一目的而采取了一些人们为了达到某一目的而采取了一些有效的措施。例如有效的措施。例如,为了使炉火燃烧更旺为了使炉火燃烧更旺,常常鼓入适量的空常常鼓入适量的空气气;为了更好地保存食物为了更好地保存食物,常采用冷藏或抽真空的方法常采用冷藏或抽真空的方法;工业合工业合成氨需要选择适当的温度、压强、催化剂等以提高生产效率。成氨需要选择适当的温度、压强、催化剂等以提高生产效率。1.为什么鼓入适量的空气会使炉火燃烧更旺为什么鼓入适量的空气会使炉火燃烧更旺?提示提示:增大氧气的浓度增大氧气的浓度,增大反应速率。
15、增大反应速率。2.工业合成氨需要从哪些方面考虑选择适当的反应条件以提工业合成氨需要从哪些方面考虑选择适当的反应条件以提高生产效率高生产效率?提示提示:从化学反应速率和化学平衡角度考虑从化学反应速率和化学平衡角度考虑,同时兼顾设备、同时兼顾设备、安全、经济效益、社会效益等方面。安全、经济效益、社会效益等方面。3.工业合成氨中如何调整反应物浓度以提高氨气产量工业合成氨中如何调整反应物浓度以提高氨气产量?提示提示:合成氨反应中合成氨反应中,反应物的转化率并不高反应物的转化率并不高,如果让如果让N2和和H2的的混合气体只一次通过合成塔是很不经济的混合气体只一次通过合成塔是很不经济的,应将分离应将分离N
16、H3后的后的未转化的合成气进行循环使用未转化的合成气进行循环使用,并及时补充并及时补充N2和和H2,使反应物使反应物保持一定的浓度保持一定的浓度,有利于合成氨反应的进行。有利于合成氨反应的进行。典例剖析下列关于工业合成氨的叙述中下列关于工业合成氨的叙述中,错误的是错误的是()。A.在动力、设备、材料允许的情况下在动力、设备、材料允许的情况下,反应尽可能在高压下反应尽可能在高压下进行进行B.温度越高越有利于工业合成氨温度越高越有利于工业合成氨C.在工业合成氨中在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率的循环利用可提高其利用率,降低降低成本成本D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向向移动移动B解析解析:合成氨的反应为放热反应合成氨的反应为放热反应,温度越高温度越高,NH3的产率越低的产率越低,且且温度太高会影响催化剂的催化效果。温度太高会影响催化剂的催化效果。【拓展延伸】【拓展延伸】合成氨反应达到平衡后合成氨反应达到平衡后,加入加入N2,当反应重新达当反应重新达到平衡时到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大的浓度比原平衡的大,N
