第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨 1認(rèn)識(shí)合成氨的化學(xué)原理。 2應(yīng)用化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)知識(shí)選擇合成氨的條件。 3了解合成氨生產(chǎn)的主要流程。 4了解工業(yè)條件選擇的依據(jù)和原則。 一、合成氨反應(yīng)的限度 (1)自發(fā)性：常溫下能自發(fā)進(jìn)行。 (2)可逆性：反應(yīng)為可逆反應(yīng)。 (3)體積變化：正反應(yīng)是氣體體積 的反應(yīng)。 (4)焓變：。減小減小H0 2合成氨反應(yīng)的限度 (1) 溫度、壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。 (2)在一定溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物氮?dú)?、氫氣的體積比為時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。降低降低增大增大1 3 開放探究1.合成氨工業(yè)生產(chǎn)中，為什么采用N2和H2物質(zhì)的量之比為1 2.8的投料比？ 提示：由于氮?dú)庠诖呋瘎┥系奈綖榭偡磻?yīng)中最難發(fā)生的步驟，即影響反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟，當(dāng)適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤?，即N2和H2物質(zhì)的量之比為1 2.8時(shí)更能加快合成氨反應(yīng)的進(jìn)行。 二、合成氨反應(yīng)的速率 三、合成氨的適宜條件 1合成氨反應(yīng)條件的選擇原則 (1)盡量增大反應(yīng)物的，充分利用原料； (2)選擇較快的 ，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量； (3)考慮設(shè)備和技術(shù)條件。轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率反應(yīng)速率反應(yīng)速率 2合成氨反應(yīng)的適宜條件 (1)壓強(qiáng) 適宜條件 理論依據(jù)：壓強(qiáng)越大，要求動(dòng)力越大，對(duì)材料和設(shè)備的制造要求就越高。 (2)溫度 適宜條件：左右 理論依據(jù)：該溫度下催化劑的活性最高，反應(yīng)速率比較快，氨的含量也相對(duì)較高。 (3)催化劑 適宜條件：以為主的多成分催化劑，又稱 。 理論依據(jù)：加快反應(yīng)速率。700 K鐵觸媒鐵觸媒鐵鐵 (4)濃度 適宜條件：氮?dú)夂蜌錃獍捶謮罕然旌稀?理論依據(jù)：適當(dāng)提高氮?dú)獾姆謮?，來提高氫氣的轉(zhuǎn)化率。 (5)其他 為 了 提 高 原 料 的， 未 反 應(yīng) 的 氮 氣 和 氫 氣。1 2.8利用率利用率循環(huán)使用循環(huán)使用 開放探究2.合成氨工業(yè)生產(chǎn)中，為什么采用未轉(zhuǎn)化的合成氣的循環(huán)使用？ 提示：合成氨反應(yīng)中，如果讓N2和H2的混合氣體只通過一次合成塔起反應(yīng)是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將分離液氨后的未轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2，使反應(yīng)物保持一定的濃度，有利于合成氨反應(yīng)的進(jìn)行。 1合成氨工業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義，原合成氨需要20 MPa、700 K，用鐵做催化劑，最近美國俄勒岡大學(xué)的化學(xué)家使用了一種名為transFe(DMeOPrPE)2的催化劑，常溫下用N2和H2合成了氨。下列有關(guān)說法正確的是() A原合成氨是吸熱反應(yīng)，而新法合成氨為放熱反應(yīng) B新法合成比原合成節(jié)約能源，具有很好的發(fā)展前景 C新法能在常溫下進(jìn)行是因?yàn)椴恍枰茐幕瘜W(xué)鍵 D加壓不利于新法合成氨 答案：B 2從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面考慮，合成氨應(yīng)采用的條件是() A低溫、高壓、催化劑 B低溫、低壓、催化劑 C高溫、高壓、催化劑 D適當(dāng)溫度、低壓、催化劑 解析：根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)、外界條件對(duì)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響及催化劑的活性進(jìn)行選擇。 答案：C 3使一定量的氮?dú)狻錃夂铣砂?，施加催化劑和高壓的反?yīng)條件，下列敘述中正確的是() A都能提高反應(yīng)速率，都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)無影響 B都對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響，都不影響達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間 C都能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，只有壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)有影響 D催化劑能縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而壓強(qiáng)無此作用 解析：催化劑只能提高化學(xué)反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，不能改變化學(xué)平衡狀態(tài)。對(duì)氮?dú)?、氫氣合成氨的反?yīng)來說，加壓既能加快化學(xué)反應(yīng)速率，又能使平衡狀態(tài)向生成氨的反應(yīng)方向移動(dòng)。加快了化學(xué)反應(yīng)速率，必然縮短了反應(yīng)達(dá)到平衡所用的時(shí)間。 答案：C 化工生產(chǎn)選擇適宜條件的思路 對(duì)于某一特定的實(shí)際反應(yīng)，選取適宜的外界條件的基本思路如下： 1從可逆性、反應(yīng)前后氣體系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€(gè)角度分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。 2根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)具體分析外界條件對(duì)速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進(jìn)行綜合分析，再充分考慮實(shí)際情況，選出適宜的外界條件。外界條件有利于加快速率的條件控制有利于平衡移動(dòng)的條件控制綜合分析結(jié)果濃度增大反應(yīng)物的濃度增大反應(yīng)物的濃度、減小生成物的濃度不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物、及時(shí)地分離出生成物催化劑加合適的催化劑不需要加合適的催化劑溫度高溫H0低溫兼顧速率和平衡，考慮催化劑的適宜溫度H0高溫在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高溫并選取催化劑壓強(qiáng)高壓(有氣體參加)(g)0高壓在設(shè)備條件允許的前提下，盡量采取高壓(g)0低壓兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強(qiáng) (1)選取適宜的化工生產(chǎn)條件時(shí)，要運(yùn)用反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，同時(shí)考慮化工生產(chǎn)中的動(dòng)力、材料、設(shè)備、催化劑等因素的影響，綜合選取適宜條件。 (2)自然界中，生物固氮酶催化的作用，在常溫常壓下、將游離的N2轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮，因此防生固氮酶催化劑可大大提高N2轉(zhuǎn)化速率和效率。壓強(qiáng)轉(zhuǎn) 化 率溫度1105Pa1106Pa5106Pa1107Pa450 97.5%99.2%99.6%99.7%550 85.6%94.9%97.7%98.3% (1)根據(jù)化學(xué)理論綜合分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是_ _ _。 (2)實(shí)際生產(chǎn)中，選定400500 作為操作溫度，其原因是_。 (3)實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是_ _ _。 (4)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是_。 (5)尾氣中有SO2必須回收是為了_。 思路點(diǎn)撥：解答本題注意以下兩點(diǎn)： (1)抓住本反應(yīng)的反應(yīng)特點(diǎn)。 (2)把外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響和實(shí)際情況有機(jī)結(jié)合起來。 從提高反應(yīng)速率考慮，合成SO3需要加入催化劑和升溫，加壓；從增大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率方面考慮，合成SO3需低溫，加壓，通入廉價(jià)空氣；從表中數(shù)據(jù)和設(shè)備材料的要求以及催化劑的活性方面綜合考慮，選擇最適宜條件。 答案：(1)常壓、450 、催化劑 (2)在此溫度下催化劑的活性最高 (3)在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5 %)，若采用高壓，平衡能向右移動(dòng)，但效果并不明顯，比起高壓設(shè)備，得不償失 (4)增大反應(yīng)物O2的濃度，提高SO2的轉(zhuǎn)化率 (5)防止污染環(huán)境 解析：該反應(yīng)的特點(diǎn)是：正反應(yīng)是一個(gè)氣體體積縮小的吸熱反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率要盡量大的原理：需要升高溫度、增大壓強(qiáng)、使用正催化劑；根據(jù)平衡移動(dòng)原理，也是升高溫度、增大壓強(qiáng)，才有利于Z的生成。 答案：A 1(2011龍巖高二質(zhì)檢)合成氨工業(yè)中，常加熱到700 K左右的溫度，理由是() 適當(dāng)提高合成氨的反應(yīng)速率提高氫氣轉(zhuǎn)化率提高氨的產(chǎn)率催化劑在700 K時(shí)活性最大 AB C D 解析：溫度對(duì)合成反應(yīng)的限度和速率的影響不一致，一般采用700 K左右的溫度，主要是因?yàn)榇呋瘎┰?00 K時(shí)活性最大。 答案：D 2(2011徐州高二質(zhì)檢)合成氨反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。合成氨工業(yè)的生產(chǎn)流程如下： 關(guān)于合成氨工業(yè)的說法中不正確的是() A混合氣進(jìn)行循環(huán)利用遵循綠色化學(xué)思想 B合成氨反應(yīng)須在低溫下進(jìn)行 C對(duì)原料氣進(jìn)行壓縮是為了增大原料氣的轉(zhuǎn)化率 D使用催化劑可以提高反應(yīng)的速率，但是不能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) 答案：B 3不能用化學(xué)平衡移動(dòng)原理說明的事實(shí)是() A合成氨在高壓下進(jìn)行是有利的 B溫度過高對(duì)合成氨不利 C使用催化劑能使合成氨速率加快 D及時(shí)分離從合成塔中出來的混合氣，有利于合成氨 解析：合成氨反應(yīng)是放熱的，氣體體積減小的反應(yīng)，高壓、及及分離氨有利于平衡右移；溫度升高會(huì)使平衡向左移，不利于氨的合成；使用催化劑能加快化學(xué)反應(yīng)速率，但對(duì)化學(xué)平衡無影響。 答案：C 4根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)分析，當(dāng)前最有前途的研究發(fā)展方向是() A研制耐高壓的合成塔 B采用超大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn) C研制耐低溫復(fù)合催化劑 D探索不用H2和N2合成氨的新途徑 解析：在其他條件相同的情況下，使用催化劑可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。 答案：C 解析：(1)醋酸二氨合銅吸收CO反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，降低溫度或增大壓強(qiáng)平衡向吸收CO的方向移動(dòng)，故應(yīng)采用低溫、高壓作為生產(chǎn)條件。 (2)放出CO的反應(yīng)應(yīng)采用高溫、低壓作為生產(chǎn)條件。 答案：(1)低溫、高壓 (2)高溫、低壓