2019-2020年高中化學《化學反應速率》教案11 新人教版選修4.doc
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2019-2020年高中化學《化學反應速率》教案11 新人教版選修4 教學過程: 一、化學反應速率 1.定義:用單位時間內(nèi)反應物濃度的減少或生成物的濃度增加來表示。 若濃度用物質(zhì)的量(C)來表示,單位為:mol/L,時間用t來表示,單位為:秒(s)或分(min)或小時(h)來表示,則化學反應速率的數(shù)學表達式為: V == △C/ t 單位是:mol/(Ls) 或 mol/(Lmin) 或 mol/(Lh) 化學反應速率是用單位時間內(nèi)反應物或生成物的量變化來表示,通常用單位時間內(nèi)反應物濃度的減小或生成物濃度的增加來表示,其數(shù)學表達式可表示為 【例題】在2L的密閉容器中,加入1mol和3mol的H2和N2,發(fā)生 N2 + 3H2 2NH3 ,在2s末時,測得容器中含有0.4mol的NH3,求該反應的化學反應速率。 解: N2 + 3H2 2NH3 起始量(mol): 1 3 0 2s末量(mol): 1-0.2 3-0.6 0.4 變化量(mol): 0.2 0.6 0.4 則 VN2==0.2/22==0.05 mol/(Ls) VH2==0.6/22==0.15 mol/(Ls) VNH3==0.4/22==0.1 mol/(Ls) 【明確】理解化學反應速率的表示方法時應注意的幾個問題: 1.上述化學反應速率是平均速率,而不是瞬時速率。 2.無論濃度的變化是增加還是減少,一般都取正值,所以化學反應速率一般為正值。 3.對于同一個反應來說,用不同的物質(zhì)來表示該反應的速率時,其數(shù)值不同,但每種物質(zhì)都可以用來表示該反應的快慢。 4.在同一個反應中,各物質(zhì)的反應速率之比等于方程式中的系數(shù)比。即: VN2 :VH2 : VNH3 ==== 1 :3 :2 5.對于在一個容器中的一般反應 aA + bB == cC + dD來說有: VA :VB :VC :VD === △CA :△CB :△CC :△CD === △nA :△nB :△nC :△nD ==== a :b :c :d 6.用化學反應速率來比較不同反應進行得快慢或同一反應在不同條件下反應的快慢時,應選擇同一物質(zhì)來比較。例如: 可逆反應A(g)+ B(g) C(g)+ D(g) ,在四種不同情況下的反應速率如下,其中反應進行得最快的是( ) A. VA==0.15mol/Lmin B. VB==0.6 mol/Lmin C. VC==0.4 mol/Lmin D.VD==0.01 mol/Ls 對化學反應速率要注意以下幾個問題: 1、物質(zhì)濃度是物質(zhì)的量濃度以mol/L為單位,時間單位通常可用s、min、h表示,因此反應速率的與常見單位一般為mol/(ls)、mol/(lmon)或mol/(lh)。 2、化學反應速率可用反應體系中一種反應物或生成物濃度的變化來表示,一般是以最容易測定的一種物質(zhì)表示之,且應標明是什么物質(zhì)的反應速率。 3、用不同的物質(zhì)表示同一時間的反應速率時其數(shù)值可能不同,但表達的意義是相同的,各物質(zhì)表示的反應速率的數(shù)值有相互關系,彼此可以根據(jù)化學方程式中的各化學計量數(shù)進行換算: 對于反應來說,則有。 4、一般說在反應過程中都不是等速進行的,因此某一時間內(nèi)的反應速率實際上是這一段時間內(nèi)的平均速率。 二、外界條件對化學反應速率的影響: (一)在其它條件不變的情況下,濃度對化學反應速率的影響 【表征性抽象】當其它條件不變時,增加反應物的濃度,可以增大反應的速率。 【原理性抽象】為什么增大反應物的濃度會影響反應速率呢? (明確)當增加反應物的濃度時,活化分子的數(shù)量增加,有效碰撞的頻率增大,導致反應速率增大。 【對結(jié)論的再理解】1.一個反應的速率主要取決于反應物的濃度,與產(chǎn)物的濃度關系不大 2.對于可逆反應aA +bB cC + dD來說,正反應的速率只取決于A、B兩種物質(zhì)的濃度,與C、D兩種物質(zhì)的濃度關系不大。而逆反應的速率只取決于C、D兩種物質(zhì)的濃度,與A、B兩種物質(zhì)的濃度關系不大。增加A或B的濃度只可以使正反應的速率增大,不會影響逆反應的速率。3.固體和純液體的濃度是一個常數(shù),所以增加這些物質(zhì)的量,不會影響反應的速率。 【應用】1.用飽和食鹽水代替水制乙炔,以減緩太快的反應速率。 2. 制Fe(OH)2時,通過降低NaOH溶液的含氧量(給溶液加熱)來降低Fe(OH)2被氧化的速率。 (二)在其它條件不變的情況下,壓強對化學反應速率的影響 【提出問題】壓強是怎樣對化學反應速率進行影響的? 【收集事實】途徑:已有的實驗知識 (提出以下幾個實驗)對比 1. 10ml、0.1mol/L的Na2S2O3溶液與0.1摩/升的硫酸10毫升反應的實驗。 2. CaO固體與SiO2固體在高溫下反應生成CaSiO3。 3. SO2 與O2在一密閉容器內(nèi)反應生成SO3。 (討論)給上述三個反應的容器加壓,三個反應的反應物的濃度是怎樣變化的? 【事實的處理】列表比較 編號 反應物的狀態(tài) 加壓后反應物濃度變化 加壓后反應的速率變化 1 2 3 【表征性抽象】對于有氣體參加的反應來說,當溫度一定時,增大體系的壓力,反應速率會加大。 【原理性抽象】為什么增大壓強會影響有氣體參加的化學反應的速率? (明確)1.一定量氣體的體積與其所受的壓強成正比。這就是說,如果氣體的壓強增大到原來的2倍,氣體的體積就縮小到原來的一半,單位體積內(nèi)的分子數(shù)就增多到原來的2倍,即體系中各個物質(zhì)的濃度都增加,所以化學反應速率增大。相反,減小壓強,氣體的體積就擴大,濃度減小,因而反應速率減小。 2.如果參加反應的物質(zhì)是固體、液體或溶液時,由于改變壓強對它們的體積改變很小,因而它們的濃度改變也很小,可以認為壓強與它們的反應速率無關。 【結(jié)論的再理解】1.壓強對反應速率的影響是通過改變濃度而影響反應速率的。我們在分析壓強對反應速率的影響時,應最終落實到濃度上,將壓強問題轉(zhuǎn)化為濃度問題。 2. 對于那些反應物和生成物都有氣體參加的可逆反應來說,增大體系的壓強,反應物和生成物的濃度都增加,所以,正反應的速率和逆反應的速率都增大。 (三)在其它條件不變的情況下,溫度對化學反應速率的影響 【提出問題】溫度是怎樣對化學反應速率進行影響的? 【收集事實】途徑:1.觀察演示實驗。 2. 回顧過去已有的化學知識和所掌握的實驗事實。 『演示實驗』10ml同濃度的Na2S2O3溶液分別在不同溫度下與0.1摩/升的硫酸10毫升反應的對比實驗 『復習回顧』1. Cu與濃硫酸在常溫條件下和在加熱條件下反應情況的對比。 2. Mg條分別與冷水和沸水的反應情況的對比。 【實驗事實的處理】1.化學用語化(寫方程式) (1) Na2S2O3 + H2SO4 == Na2SO4 + SO2 + S↓+ H2O 或 S2O32- + 2H+ == SO2 + S↓+ H2O (2)Cu + 2H2SO4(濃)=== CuSO4 +2 SO2↑+2 H2O (3 )Mg +2H2O === Mg(OH)2 + 2H2↑ 2. 表格化 (1)同濃度的Na2S2O3溶液在不同溫度下與0.1摩/升的硫酸10毫升反應的對比表 編 號 0.1mol/L的 Na2S2O3 0.1mol/L的 H2SO4 反應溫度 (℃) 反應中出現(xiàn)渾濁的時間 (秒) 1 10ml 10ml 冷水 2 10ml 10ml 熱水 (2)Cu與濃硫酸在常溫條件下和在加熱條件下反應情況對比表 編號 Cu與濃硫酸在常溫條件下反應 Cu與濃硫酸在加熱條件下反應 1 2 (3)Mg條分別與冷水和沸水的反應情況對比表 編號 Mg條與冷水反應 Mg條與熱水反應 1 2 【表征性抽象】在其它條件不變的情況下,升高溫度,化學反應要加快。經(jīng)過實驗測定,溫度每升高10℃,反應速率通常要增大到原來的2~4倍。 【原理性抽象】為什么升高溫度會使反應速率加快? (明確)當反應物濃度一定時,分子總數(shù)一定,升高溫度,反應物分子的能量增高,是活化分子的百分比增大,因而活化分子數(shù)量增多,有效碰撞頻率增大,所以,反應速率加大。 【對結(jié)論的再理解】對于可逆反應來說,升高體系的溫度,反應物和生成物中的活化分子數(shù)都增加,所以,正反應的速率和逆反應的速率都增大。 【應用】1.在實驗室進行化學反應時,常常通過給反應物加熱來增大反應的速率。 2. 合成氨工業(yè)中,是在500℃的條件下進行反應,以加快反應進行的速度。 3. 為防止食品變質(zhì),我們將食品放入冰箱中保存,以降低食品變質(zhì)的速率。 (四)催化劑對化學反應速率的影響 【提出問題】催化劑是怎樣影響化學反應速率的? 【收集事實】途徑:1.觀察演示實驗。2.回顧已有知識 (演示實驗)過氧化氫分解的對比實驗 (復習回顧)用KClO3制氧氣的實驗 【實驗事實的處理】1.寫化學方程式 (1) 2H2O2 == 2H2O + O2↑ (2) 2KClO3 == 2KCl +3O2↑ 2. 列表對比 (1)過氧化氫分解實驗的對比表 編號 無催化劑時的反應情況 有催化劑時的反應情況 1 2 (2)用KClO3制氧氣實驗的對比表 編號 無催化劑時的反應情況 有催化劑時的反應情況 1 2 【表征性抽象】催化劑能加快化學反應速率。 【原理性抽象】為什么催化劑能加快化學反應速率? (明確)當溫度和反應物濃度一定時,使用催化劑可使反應途徑發(fā)生改變,從而降低了反應的活化能,使得活化分子的百分比增大,因此活化分子的數(shù)目增多,有效碰撞頻率增大,故 化學反應速率加大。 【對結(jié)論的再認識】1.催化劑改變化學反應速率的原因僅僅是改變始態(tài)到終態(tài)的途徑,不改變反應的結(jié)果。例: (1)在加熱條件下: 2Cu + O2 == 2CuO 2CuO +2 CH3CH2OH == 2Cu +2 CH3CHO + 2H2O (2)氮的氧化物破壞臭氧: NO + O3 == NO2 + O2 NO2 + O ==NO + O2 2. 能加快反應速率的催化劑叫正催化劑;能減慢化學反應速率的催化劑叫負催化劑。 3. 對可逆反應而言,正催化劑使正、逆反應速率都加快,且加快的程度相同。相反,負催化劑使正、逆反應速率都減小,且減小的程度相同。 【應用】催化劑在現(xiàn)代化學和化工生產(chǎn)中占有極為重要的地位。大約85%的反應需要催化劑。尤其是現(xiàn)代大型化工業(yè)、石油工業(yè)中,很多反應還必須使用性能良好的催化劑。例;接觸法制硫酸工業(yè)。 【課堂練習】1.要使在容積恒定的密閉容器中進行的可逆反應2A(氣)+B(固)== 2C(氣)+Q(Q>0)的正反應速率顯著加快,可采用的措施是(不考慮固、氣態(tài)間的接觸面積)( ) A.降溫 B.加入B C.增大體積使壓強減小 D.加入A 2.把除去氧化膜的鎂條放入一定濃度的稀鹽酸的試管中,發(fā)現(xiàn)H2的生成速度V隨時間t變化如圖。其中t1——t2速度變化的原因是___________________ ;t2——t3速度變化的原因是_________________________________。 V t 1 t 2 t 3 【實驗事實的處理】1.寫化學方程式或離子方程式 (1.) Na2S2O3 + H2SO4 == Na2SO4 + SO2 + S↓+ H2O 或 S2O32- + 2H+ == SO2 + S↓+ H2O (2.) 2Mg + O2 ===2MgO (3.) CaC2 + H2O === C2H2↑+ Ca(OH)2 2. 列表對比 (1)不同濃度的Na2S2O3溶液與0.1摩/升的硫酸反應的對比實驗表 編號 Na2S2O3溶液 水 硫 酸 出現(xiàn)渾濁的時間(秒) 1 10ml 0 10ml 2 5ml 5ml 10ml (2).鎂條分別在空氣中和純氧中燃燒的情況對比表 編號 鎂條與空氣反應 鎂條與純氧氣反應 現(xiàn)象 速率 (3)電石分別在水中和飽和食鹽水中反應的情況對比表 編號 電石與水的反應 電石與飽和食鹽水的反應 現(xiàn)象 速率 第二節(jié) 化學平衡 【教學目標】 1、學習化學平衡的觀點 2、體驗理解化學平衡的特征 3、結(jié)合平衡是相對的、有條件的、動態(tài)的,讓學生感受辯證唯物主義論點 4:了解濃度、壓強、溫度等外界條件對化學平衡移動的影響。 5:掌握用化學平衡的移動原理來定性定性地分析化學平衡問題。 6:了解平衡移動原理的重要意義,學會解決問題的科學方法。 【教學重點】 化學平衡狀態(tài)的特征,化學平衡移動原理 教學難點:化學平衡概念的建立 教學過程: 一、化學平衡狀態(tài): 定義:在一定條件下,可逆反應中正反應速率與逆反應速率相等,反應混合物中各組成成分的含量保持不變的狀態(tài),叫做化學平衡狀態(tài)。 特點:“動、定、變”特點: 動:化學平衡是一種動態(tài)平衡v(正)=v(逆)。 定:條件不變時,各組分濃度保持不變。 變:條件改變時,化學平衡發(fā)生移動。 平衡建立:在一定條件下,反應應是從一定速率開始的,而逆反應是從零開始的,隨時間推移,正、逆反應速率相等,反應達到平衡。 ①反應物與生成物處于動態(tài)平衡,V正=V逆 ②反應物與生成物濃度保持一定,百分組成保持一定;(或說反應物與生成物的含量 保持一定) ③影響平衡的外界條件改變,平衡狀態(tài)即被破壞,發(fā)生平衡移動。 為了使學生較好地理解動態(tài)平衡的含義,還可以引用適當?shù)谋扔?。例如:當水槽中進水和出水的速度相等時,槽內(nèi)水量保持不變;當商場在一定時間里進出人數(shù)相同時,商場內(nèi)人數(shù)保持不變等。 實驗步驟如下: 出示天平和裝了水的一個礦泉水瓶Ⅰ,等待靜止平 (1) 衡,不動時稱為平衡狀態(tài); (2)一個空礦泉水瓶剪去上部,下部刺一個小孔; (3)按圖4所示向Ⅱ空瓶內(nèi)不斷倒水,使它出現(xiàn)與Ⅰ瓶水 位等高的狀態(tài),而且保持這一水位。告訴學生這時水位不變了,也可以稱為平衡了。請思考Ⅰ與Ⅱ兩種平衡有何不同。 [學生得結(jié)論] Ⅰ為靜態(tài)平衡,Ⅱ為動態(tài)平衡。 不可逆反應:在同一條件下,不能同時向兩個方向進行的反應??煽闯烧?、逆反應的趨勢差別很在,反應“一邊倒”。 CO+H2O(g)===CO2+H2 1200 0C 1L密閉容器中 C(CO) C(H2O) C(CO2) C(H2) 第一次 t0 0.01 0.01 0 0 t末 0.006 0.006 0.004 0.004 第二次 t0 0 0 0.01 0.01 t末 0.006 0.006 0.004 0.004 第三次 t0 0.003 0.003 0.007 0.007 t末 0.006 0.006 0.004 0.004 CO+H2O(g)===CO2+H2 800 0C 1L密閉容器中 C(CO) C(H2O) C(CO2) C(H2) 第一次 t0 0.010 0.010 0 0 平衡 0.005 0.005 0.005 0.005 第二次 t0 0 0 0.010 0.010 平衡 練習一:對于可逆反應2SO2+O2===2SO3:下列那種情況達到了化學平衡狀態(tài)? 1、反應容器內(nèi),SO2、O2、SO3 共存時的狀態(tài) 2、SO2的分解速率等于SO3的生成速率的狀態(tài)。 3、單位時間內(nèi),每消耗2molSO2同時生成1molSO2。 4、單位時間內(nèi),每消耗1molSO2同時消耗2molSO3。 練習二:下列說法對不對,為什么? 1、 可逆反應達到化學平衡時,反應停止了,所以各組分濃度不變了。 2、 可逆反應達到化學平衡時,反應物濃度等于生成物濃度 3、 可逆反應達到化學平衡時,即使改變溫度條件,平衡狀態(tài)也不會改變。 二、化學平衡及特征 1、定義 2、注意點(1) (2) (3) 3、特征 4、標志 (1)微觀標志 (2)宏觀標志 規(guī)律(1) (2) (3) (4) (5) (6) [練習] 1、可逆反應和不可逆反應: 可逆反應:在同一條件下,能同時向正、逆兩個方向進行的反應。如: N2+3H2 2NH3+Q N2O4 2NO2 - Q 不可逆反應:在同一條件下,不能同時向兩個方向進行的反應。可看成正、逆反應的趨勢差別很在,反應“一邊倒”。 正、逆反應是相對的: N2+3H2 2NH3 2NH3 N2+3H2 問:點燃氫氣和氧氣的混合物可劇烈地化合生成水,電解水時又可生成氫氣和氧氣,這是不是一個可逆反應?為什么? 接問:可逆反應能否進行到底?(不能),因而對于任何一個可逆反應都存在一個反應進行到什么程度的問題。 練習: 1.可以說明密閉容器中可逆反應P +Q R + S 在恒溫下已達平衡的是( B ) A.容器內(nèi)壓強不隨時間變化 B.P和S生成速率相等 C.R和S的生成速率相等 D.P、Q、R、S的物質(zhì)的量相等 2.在1大氣壓390℃時,可逆反應:2NO2 2NO+O2達到平衡,此時平衡混合氣體的密度是相同條件下H2密度的19.6倍,求NO2的分解率。(答:34.6%) 第三節(jié) 化學平衡的條件 學習目標: 1:了解濃度、壓強、溫度等外界條件對化學平衡移動的影響。 2:掌握用化學平衡的移動原理來定性定性地分析化學平衡問題。 3:了解平衡移動原理的重要意義,學會解決問題的科學方法。 重 點:化學平衡移動原理 教學過程: 復習: 1.下列說法中,可以充分說明P(g)+Q(g)R(g)+S(g)在恒溫下已達到平衡的是 ( ) A反應容器內(nèi)的壓強不隨時間變化 B、反應容器內(nèi)P、Q、R、S四者共存 C.P、S的生成速率相等 D、反應容器內(nèi)的總物質(zhì)的量不隨時間變化 2.某溫度,在一2L密閉容器中,A、B、C三種物質(zhì)的物質(zhì)的量隨時間的變化曲線入圖。則;反應物是 ;生成物是 ;。T時刻表明 該反應的化學方程式為 。(用A、B、C代表物質(zhì)) 什么叫化學平衡的移動 影響化學平衡的條件: 化學平衡狀態(tài)是與外界條件有關的。外界某種條件改變時,使正、逆反應速率不等,平衡混合物中各組成物質(zhì)的百分含量(或濃度)也隨之改變,原來的平衡被破壞直到建立新條件下的另一種平衡狀態(tài)。這種改變的過程,叫化學平衡的移動。 影響化學平衡的重要條件有:濃度、壓強、溫度。 (1)濃度對化學平衡的影響: 以FeCl3 + 3KSCN為例說明。 結(jié)論:在其它條件不變的情況下,增大反應物濃度或減小生成物濃度,平衡向正反應方向移動;反之,則向逆反應方向移動。 濃度的變化 v正 v逆的變化 結(jié)果 平衡移動 平衡移動結(jié)果 增大反應物濃度 減少反應物濃度 增大生成物濃度 減少生成物濃度 (2)壓強對化學平衡的影響: 壓強改變 v正 v逆的變化 結(jié) 果 平衡移動 平衡移動結(jié)果 增大壓強 減小壓強 結(jié)論:在其它條件不變的情況下,增大壓強會使化學平衡向著氣體體積縮小的方向移動;減小壓強,會使平衡向著氣體體積增大的方向移動。 (3)溫度對化學平衡的影響: 以2NO2 N2O4+Q為例說明。 結(jié)論:在其它條件不變的情況下,溫度升高,會使化學平衡商著吸熱反應的方向移動;溫度降低,會使化學平衡向著放熱反應的方向移動。 溫度改變 v正 v逆的變化 結(jié)果 平衡移動 平衡移動結(jié)果 升高溫度 降低溫度 (4)關于催化劑:因使正、逆反速率同等程度地加快,故不能使平衡發(fā)生移動。但能縮短達到平衡的時間。 勒沙特列原理: 如果改變影響平衡的一個條件(如濃度、壓強或溫度等),平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。 4.催化劑對反應速率的影響 (1)內(nèi)容:使用催化劑可以改變反應速率。 注意:①這里的改變包括加快或減慢。加快反應的為正催化劑,減慢反應的為負催化劑 ②催化劑具有選擇性,不同反應有不同的催化劑。 ③催化劑不能改變化學反應(例如:不能改變生成物的量) ④可逆反應中催化劑對正逆反應的改變程度相同 ⑤催化劑有一定的活化溫度,不同催化劑的活化溫度不同。 思考:在用氯酸鉀分解制氧氣時加入二氧化錳后能否提高氧氣的量? (2)解釋:使用催化劑能夠降低反應能量,這樣就會有更多的反應物分子成為活化分子,大大提高單位體積內(nèi)活化分子的百分率,從而成千上萬倍地增大化學反應速率。 5.其它因素的影響 固體顆粒大小:顆粒越小,接觸面積越大,反應速率越大。 光、電磁波、激光、紫外線、超聲波:都是給體系供能,通常是加快反應。 溶劑的性質(zhì)也能改變化學反應速率。 小結(jié):外因?qū)瘜W反應速率影響的微觀解釋(填“增大”或“不變”) 影響 因素 單位體積內(nèi)分子總數(shù) 活化分子百分數(shù) 單位體積內(nèi)活化分子數(shù) 單位體積單位時間有效碰撞次數(shù) 化學反應速率 增大濃度 增大壓強 升高溫度 正催化劑 [例1]對于可逆反應:2SO2+O2 2SO3+Q,下列說法哪些是正確的,為會么? (1)達到平衡時,反應物和生成物的濃度相等; (2)達到平衡時,SO2、O2、SO3的濃度之比為; (3)加入催化劑V2O5可以縮短到達平衡的時間; (4)由于反應前后分子數(shù)不同,所以改變體系壓強影響化學平衡(縮小體積); (5)對于放熱反應,升高溫度正反應速率減小,逆反應速率增大,所以平衡向左移動。 解:(3)、(4)正確。 化學反應速率、化學平衡、平衡移動三者之間的關系 以一般反應:mA(氣)+n B(氣)= p C(氣)+qD(氣)+Q(千焦)通式為例來討論濃度,溫度,壓強,催化劑等對三者的影響極其規(guī)律。 反應特征 改變條件 v—t圖象 改變條件瞬間 達到平衡前 平衡移動方向 達到新平衡 v正 v逆 v正與v逆的關系 A轉(zhuǎn)化率 B轉(zhuǎn)化率 Q>0 升高溫度 ↑ ↑ < ← ↓ ↓ 降低溫度 Q < 0 升高溫度 ↑ ↑ > → ↑ ↑ 降低溫度 m+n
→
↑
↑
V變小
增大壓強
減小壓強
m+n=p+q
加入惰性氣體
V不變
—
—
=
—
—
—
V變大
↓
↓
=
—
—
—
V變小
增大壓強
減小壓強
m+n>p+q
加入惰性氣體
V不變
—
—
=
—
—
—
V變大
↓
↓
<
←
↓
↓
V變小
增大壓強
減小壓強
注:用“=”表示相等 “↑”表示升高或增加 “↓”表示降低或減少 “—”表示無關或不變
“V”表示體積 “v”表示速率
第四節(jié) 合成氨條件的選擇
目的要求:
使學生理解如何應用化學反應速率和化學平衡原理,選擇合成氨的適宜條件。
使學生了解應用化學原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。
教學過程
一:合成氨條件的選擇
工業(yè)上用N2和H2合成氨: N2+3H2 2NH3+Q
從反應速率和化學平衡兩方面看,選擇什么樣的操作條件才有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本呢?
從速率看,溫度高、壓強大(即N2、H2濃度大)都會提高反應速率;
從化學平衡看,溫度低、壓強大都有利于提高N2和H2的轉(zhuǎn)化率。
可見,壓強增大,從反應速率和化學平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實際考慮,壓強越大,需要的動力越大,對材料的強度和設備的制造要求越高,將使成本增大。故一般合成氨廠采用的壓強是20~50MPa帕斯卡。
而溫度升高,有利于反應速率但不利于N2和H2的轉(zhuǎn)化率。
如何在較低的溫度下保持較大轉(zhuǎn)化率的情況下,盡可能加快反應速率呢?選用合適的催化劑能達到這個目的。那么,較低的溫度是低到什么限度呢?不能低于所用催化劑的活性溫度。目前使用的催化劑是以鐵為主體的多成分催化劑——又稱鐵觸媒。其活性溫度為450℃~550℃,即溫度應在450~550℃為宜。將來如制出活性溫度更低、活性也很在的新型催化劑時,合成氨使用的溫度當然比現(xiàn)在要低,轉(zhuǎn)化率就能更高了。
選擇適宜的條件:根據(jù)N2+3H2 2NH3+Q這一反應的特點,運用化學反應速
率和化學平衡的理論來選擇適宜條件。該反應為可逆、體積減小、正反應為放熱等特點。
(1)適宜的壓強:為何強調(diào)適宜?壓強越大、有利于NH3的合成,但太大,所需動力大,材料強度高,設備制造要求高,成本提高,選擇2107~5107Pa壓強。
思考:工業(yè)上生產(chǎn)H2SO4:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)為何不采用加壓方法?(因為在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已達91%,不需要再加壓)
(2)適宜的溫度:溫度越低越有利于NH3的合成,為何還要選擇5000C高溫?因為溫度越低,反應速率越小,達平衡時間長,單位時間產(chǎn)量低,另外5000C時,催化劑活性最大。
(3)使用催化劑
(4)及時分離出NH3,并不斷補充N2和H2(N2要過量,提高成本較高的H2轉(zhuǎn)化率)
小結(jié):合成氨的適宜條件:
壓強:20~50MPa帕斯卡
溫度:500℃左右
催化劑:鐵觸媒
2、合成氨工業(yè)簡述:
合成氨工業(yè)主要是原料氣中的氫氣和氮氣合成氨的過程。我們先從原料氣談起。
(1)原料氣的制備、凈化和壓縮:
一是將空氣液化,蒸發(fā),使它分離為N2和O2
N2:
二是將空氣中的O2跟碳作用:C + O2 = CO2,再除去CO2
H2:將水蒸氣通過赤熱的煤層(或焦炭層):
C + H2O(氣) △ CO + H2
在催化劑存在下:CO + H2O(氣) CO2 + H2
在制取原料氣的過程中,常混有不同數(shù)量的其他雜質(zhì),而合成氨所需要的是純凈的N2和H2,所以必須將這些雜質(zhì)除去,否則會使合成氨所用催化劑“中毒”,清除雜質(zhì)的過程叫做原料氣的凈化。
由于氨的合成是在高壓下進行的,所以在氨的合成之前,還需要將N2、H2混合氣體用壓縮機壓縮至高壓。
(2)氨的合成:
N2+3H2 2NH3+熱 在合成塔中進行
合 成 塔
水冷器
氨分離器
壓縮機
N2、H2
循環(huán)壓縮機
混合氣體
液
氨
循環(huán)氣體
(此圖邊講邊畫)
(3)氨的分離:
從合成塔里出來的混合氣體通常含15%左右的氨。為了使氨從沒有起反應的N2和H2里分離出來,要把混合氣體通過冷凝器,使氨液化,然后在氣體分離器里把液態(tài)氨分離出來,導入液氨貯罐。由氣體分離器出來的氣體,經(jīng)過循環(huán)壓縮機,再送到合成塔里去,以便充分利用原料。
練習:
一:選擇題(每小題有1~2個正確答案)
1、對于反應A2+3B2 2AB3以下表示的反應速率中,速率最大的是
A、vA=0.4molL-1min-1 B、vB=0.8molL-1min-1
C、v=0.6molL-1min-1 D、v=0.01molL-1S-1
2、在2L密閉容器中,盛有2mol X和2molY物質(zhì)進行如下反應:
X(s)+3Y(g) Z(g),當反應進行到10s后,測得生成0.5mol Z,這期間的平均反應速率為
A、vX=0.05mols-1 B、vX=0.025molL-1s-1
C、vy=0.05molL-1s-1 D、vy=0.075molL-1s-1
3、現(xiàn)有三個體積相等的密閉容器中都進行如下反應:
CO2+H2 CO+H2O(g),反應所處的溫度相同,但反應的起始濃度不同,其中甲:
[H2]=[CO]=amol 乙:[CO2]=amol [H2]=2amol 丙[CO2]=[H2]=[H2O]=amol,達到平衡時,CO的濃度由大到小的順序排列正確的是
A、丙>甲>乙 B、甲>乙>丙 C、乙>丙>甲 D、乙>甲>丙
4、在一個固定體積的密閉容器中,放入mmol的A和nmol的B,發(fā)生如下反應:
mA(g)+nB(g) PC(g),平衡時C的濃度是wmolL-1,若維持容器的體積不變,起始時放入amolA、bmolB和cmolC,要使平衡時C的濃度仍為wmolL-1,則a、b、c必須滿足的條件是
A、a:b:c=m:n:p B、a:b=m:n和
C、和 D、a=, c=和c=
5、對處于化學平衡的體系,以化學平衡與化學反應速率的關系可知:
A、化學反應速率變化時,化學平衡一定發(fā)生移動。
B、化學平衡發(fā)生移動時、化學反應速率一定變化。
C、正反應進行的程度大、正反應速率一定大。
D、只有催化劑存在下,才會發(fā)生化學反應速率變化,而化學平衡不移動的情況。
6、在PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g),達到平衡后,其它條件不變,向平衡體系中加入37Cl2,達到新平衡后,含37Cl的PCl3的物質(zhì)的量與原平衡相比
A、增大 B、減小 C、不變 D、不能確定
7、下列事實不能用勒沙特列原理說明的是
A:往氫硫酸溶液中加入鹽酸,[S2-]降低。
B:溫度不變時,敞口久置于空氣中的飽和KNO3溶液含有晶體析出。
C:在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中,使用較高的溫度有利于提高產(chǎn)量。
D:在密閉容器中,水面上方的蒸氣壓強隨溫度升高而增大。
8:下列平衡:C2H2+H2 C2H4……① 2CH4 C2H4+2H2……②當降低溫度時,①式
向右移動,②式向左移動,試判斷下列式中C+2H2 CH4+Q1 2C+H2 C2H2+2Q2
2C+2H2 C2H4+2Q3 Q1、Q2、Q3的大小順序為
A、Q1>Q2>Q3 B、Q1> Q3> Q2 C 、Q2> Q1 >Q3、 D、Q2>Q3 >Q1
9、在CuCl2水溶液中存在如下平衡:[Cu(H2O)4]2++4Cl- [CuCl4]2-+4H2O能使黃綠
(藍) (綠)
色CuCl2溶液向藍色轉(zhuǎn)化的操作是
A、蒸發(fā)濃縮 B、加水稀釋 C、加入AgNO3 D、加入食鹽晶體
10、反應A(g)+xB(g) yC(g),將A與B按體積比1:x混合反應當A的轉(zhuǎn)化率是50%時,反應前混合氣體的密度是反應后混合氣體密度的(同溫同壓),則x、y的值可能是
A、3,4 B、3,2 C、3,3 D、1,1
11、在容積一定的密閉窗口中,反應A B(g)+C(s)達平衡,若繼續(xù)升高溫度,容器內(nèi)氣體的密度增大,下列判斷正確的是
A、 壓強對該反應的平衡移動沒有影響
B、 在平衡體系中加入C,混合氣體平均分子量增大
C、 若正反應為吸熱反應,則A為非氣態(tài)
D、 若正反應為放熱反應,則A為氣態(tài)
12、 某溫度下,反應H2(g)+I2(g) 2HI(g)+Q,在一帶有活塞的密閉容器中達到平衡,
下列說法不正確的是
A、 恒溫壓縮體積,平衡不移動,顏色加深
B、 恒壓迅速充入HI,開始時正反應速率減小
C、 恒容,升溫正反應速率減小
D、 恒容,充入H2,I2的百分比含量降低
二:填空
1、t0C在VL密閉容器中加入vmol N2和3vmol H2,當反應N2+3H2 2NH3達平衡時,
混合氣體中N2、H2、NH3分別為A、B、Cmol,仍在t0C,若只改變起始物的加入量,但要維持A、B、C值不變,則在N2、H2、NH3的加入量用X、Y、Z表示,應滿足的條件是
(1) 若X=0,Y=0,則Z=_______
(2) 若X=0.75vmol,則Y=________ Z=________
(3) X、Y、Z應滿足的一般條件,用X、Y、Z的方程式表示式是
______________________________、________________________。
2、在一定溫度下,把2體積
N2和6體積H2通入一個帶有活
塞的容積可變的容器中,活塞的
一端與大氣相通,發(fā)生反應
N2+3H2 2NH3+Q達到平衡,測得混合氣體為7體積
(1)保持上述反應溫度不變,設a、b、c分別代表初始加入的N2、H2、NH3體積,若反應達到平衡后,混合氣體中各物質(zhì)的百分含量仍與上述平衡完全相同,那么:
① 若a=1, c=2則b=_____,在此情況下,反應起始時將向_____方向進行。
② 若規(guī)定起始時反應向逆方向進行,則C的取值范圍是______________
(2)在上述裝置中,若起始時的a、b、c值均與(1)相同,但需控制平衡后混合氣
體為6.5體積,則可采取措施是______,其原因是______。
3、在一個容積不變的反應容器中,要求通過調(diào)節(jié)體系的溫度使下列反應達到平衡時保
持容器內(nèi)氣體總物質(zhì)的量為12mol,A(g)+2B(g) 2C(g)?,F(xiàn)向反應器中加入6.5molA,X molB,2.0 molC.
(1)若x=5.5時,需要降低體系溫度使反應在平衡時達到題設條件,則正反應為_____熱反應。
(2)欲使起始反應維持向逆方向移動,則x取值范圍是__________
【答案】
一、 選擇題
1、 D 2、AD 3、D 4、B 5、B 6、A 7、C 8、B
9、BC 10、BD 11、CD 12、C
二、 填空題:
1、 (1) 2vmol (2)2.25v, 0.5v (3) x+2z=v Y+Z=3V
2、 (1) ①3,逆 ② 1 如PPT文件的首頁顯示word圖標,表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標可打開word文檔。
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