第第4 4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨工業(yè)合成氨 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率用N2和H2為原料實(shí)現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)艱巨的課題。從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)歷了從18世紀(jì)末到20世紀(jì)初的一百多年的時(shí)間。由于化學(xué)反應(yīng)的快慢和限度、催化劑等基礎(chǔ)理論的發(fā)展，高溫、高壓等工業(yè)技術(shù)條件的改善，以及許多研究工作者的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，德國(guó)化學(xué)家哈伯科學(xué)地創(chuàng)造適宜的條件調(diào)控合成氨的反應(yīng)，終于在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)世界人口由30億增至60億對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是用空氣制造面包的圣人。問題：根據(jù)合成氨反應(yīng)原理：N2 (g)3H2 (g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1，外界條件對(duì)合成氨反應(yīng)平衡有何影響？1合成氨反應(yīng)是一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng)，同時(shí)也是氣體的物質(zhì)的量_的_反應(yīng)。因此，_溫度、_壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。在一定溫度、壓強(qiáng)下，反應(yīng)物氮?dú)狻錃獾捏w積比為_時(shí)，平衡混合物中氨的含量最高。2依據(jù)平衡移動(dòng)的原理可知，合成氨反應(yīng)在_壓和_溫的條件下進(jìn)行時(shí)，才能得到較高的產(chǎn)率。但是，高壓條件對(duì)設(shè)備提出了苛刻的要求，而反應(yīng)溫度的降低勢(shì)必_達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，致使生產(chǎn)效率降低，失去工業(yè)化生產(chǎn)的意義。 1 3減小熵減降低增大延長(zhǎng)高低3由反應(yīng)速率與參與反應(yīng)物質(zhì)的濃度的關(guān)系式可知，合成氨反應(yīng)的速率與氮?dú)鉂舛鹊腳次方成正比，與氫氣濃度的_次方成正比，與氨氣濃度的_次方成反比。在反應(yīng)過程中，隨著氨的濃度的增大，反應(yīng)速率會(huì)逐漸_，因此為了保持足夠高的反應(yīng)速率，應(yīng)適時(shí)將_從混合氣中分離出來。在其他條件相同的情況下，使用_可以使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。溫度對(duì)合成氨反應(yīng)的速率也有顯著影響：溫度越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快。 催化劑11.51降低氨4目前，合成氨生產(chǎn)中一般選擇_作為催化劑；控制反應(yīng)溫度在_左右。根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)；通常采用氮?dú)馀c氫氣的物質(zhì)的量之比為_的投料比。1 2.8鐵700 K 5對(duì)合成氨反應(yīng)條件的綜合分析 (1)從合成氨的化學(xué)平衡分析：有利于提高轉(zhuǎn)化率的措施 (2)從合成氨的反應(yīng)速率分析： (3)選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面的追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該尋找較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。此外，還應(yīng)該考慮原料的價(jià)格、未轉(zhuǎn)化的合成氣(H2和N2)的循環(huán)使用、反應(yīng)熱的綜合利用等問題。分離降低提高提高使用(正)合成氨反應(yīng)的限度合成氨反應(yīng)的限度1分析合成氨反應(yīng)的自發(fā)性已知：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)；H92.2 kJmol1，S198.2 JK1mol1在298 K 時(shí)，HTS92.2 kJmol1298 K(198.2103)kJK1mol133.1 kJmol10。故該反應(yīng)在298 K時(shí)能自發(fā)進(jìn)行。2合成氨的條件該反應(yīng)是正反應(yīng)體積減小、放熱、熵減的可逆反應(yīng)，由化學(xué)平衡移動(dòng)原理及影響平衡移動(dòng)的條件知，合成氨的理想條件是：低溫、高壓。實(shí)驗(yàn)表明：在一定的溫度和壓強(qiáng)下，反應(yīng)物N2、H2的體積比為1 3時(shí)，平衡混合物中氨的含量最高。 保持溫度、壓強(qiáng)不變，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移動(dòng)的是() A恒溫、恒壓時(shí)，充入NH3B恒溫、恒容時(shí)，充入N2 C恒溫、恒壓時(shí)，充入He D恒溫、恒容時(shí)，充入He 解析：本題考查濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響。在恒溫、恒壓時(shí)，向平衡體系中加入NH3，體系體積增大，由于加入物質(zhì)是生成物，實(shí)際上是等于減少了反應(yīng)物的濃度(反應(yīng)物的體積變大，而物質(zhì)的量沒變)，此時(shí)，正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡向左移，故A將發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒容時(shí)，充入N2使容器內(nèi)壓強(qiáng)增大。由于整個(gè)體系的體積不變，所以加入N2后，反應(yīng)物N2的濃度增大，所以平衡向右移動(dòng)。故B發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒壓時(shí)，加入He，使整個(gè)體系做等壓膨脹，體積變大，He雖然不參與化學(xué)反應(yīng)，但由于體積的膨脹，而使平衡混合物中的N2、H2、NH3的濃度都相應(yīng)減小，結(jié)果，反應(yīng)物濃度減小的程度比生成物濃度減小的程度大，此時(shí)正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡左移。故C發(fā)生移動(dòng)。在恒溫、恒容時(shí)，向體系中加入He，使整個(gè)體系壓強(qiáng)增大，但由于He不參與反應(yīng)，對(duì)于參加反應(yīng)的物質(zhì)而言，它們的物質(zhì)的量和體積都沒有變化，所以濃度沒變，故平衡不發(fā)生移動(dòng)。答案：D合成氨的反應(yīng)速率合成氨的反應(yīng)速率1由平衡移動(dòng)的原理可知，合成氨要在高壓和低溫下才能得到較高的產(chǎn)率。但是高壓條件對(duì)設(shè)備的要求高，而反應(yīng)溫度的降低勢(shì)必延長(zhǎng)達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，致使生產(chǎn)效率降低，失去了工業(yè)生產(chǎn)的意義。因此在尋找最佳的生產(chǎn)條件時(shí)，除了考慮反應(yīng)的限度外，還需要研究哪些措施可以用來提高化學(xué)反應(yīng)速率。 2增大反應(yīng)速率的方法：可以采用升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大反應(yīng)物N2(或H2)的濃度及使用催化劑等措施來提高合成NH3的反應(yīng)速率。 3濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 從vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，在一定的溫度、壓強(qiáng)下，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度c(N2)或c1.5(H2)成正比關(guān)系，與生成物濃度c(NH3)成反比關(guān)系。因此可以采用增大反應(yīng)物濃度、減小生成物濃度來提高化學(xué)反應(yīng)速率。 4催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 加催化劑可以使反應(yīng)的活化能從335 kJmol1降低為167 kJmol1， 3.41012(700 K)表明，使用催化劑后可以使合成氨的反應(yīng)速率提高上萬億倍，因?yàn)榇呋瘎└淖兞朔磻?yīng)的歷程，降低了反應(yīng)所需的活化能，增大了反應(yīng)速率常數(shù)，大大提高了化學(xué)反應(yīng)速率。 結(jié)論：從化學(xué)反應(yīng)速率理論方面分析：增大反應(yīng)物濃度、使用合適的催化劑、增大壓強(qiáng)及升高溫度都可以增大合成氨的反應(yīng)速率。 對(duì)于合成氨的反應(yīng)來說，使用催化劑和施加高壓，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催化劑能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間，而壓強(qiáng)無此作用解析：本題考查運(yùn)用平衡移動(dòng)原理及化學(xué)反應(yīng)速率理論來解決問題的實(shí)際應(yīng)用能力。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)N2 (g)3H2(g)2NH3(g)，催化劑只能降低反應(yīng)所需活化能，增大反應(yīng)速率常數(shù)，提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。高壓能提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所用時(shí)間縮短，也能使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。答案為C。答案：C 在一定條件下，將10.0 mol H2和1.0 mol N2充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)N2(g) 3H2(g)2NH3(g)，并達(dá)到平衡狀態(tài)，則H2的轉(zhuǎn)化率可能是() A15%B30%C35%D75% 解析：對(duì)可逆反應(yīng)而言，任何一種物質(zhì)都不能完全轉(zhuǎn)化。為方便解題，假設(shè)N2完全轉(zhuǎn)化，則消耗H2的物質(zhì)的量為：n消耗(H2)3n(N2)3.0 mol 事實(shí)上，N2完全轉(zhuǎn)化是不可能的，因而消耗H2的物質(zhì)的量絕對(duì)小于3.0 mol，故H2的最大轉(zhuǎn)化率：最大(2) 100%30%，觀察備選項(xiàng)可知答案。 答案：A合成氨的適宜條件合成氨的適宜條件1化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域起著重要的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)運(yùn)用對(duì)立統(tǒng)一的規(guī)律，綜合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，既考慮反應(yīng)的快慢(反應(yīng)速率的大小)，又考慮反應(yīng)進(jìn)行的程度(化學(xué)平衡)。在這個(gè)過程中還要堅(jiān)持以下三個(gè)原則：既要注意外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的一致性，又要注意對(duì)二者影響的矛盾性；既要注意溫度、催化劑對(duì)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制；既要注意理論上的需要，又要注意實(shí)際生產(chǎn)的可能性。2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 (1)從可逆性、反應(yīng)前后條件系數(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。外界條件有利于增大速率的條件控制有利于平衡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)n(g) 0低壓兼顧速率和平衡，選取適宜的壓強(qiáng)例如：合成氨的工業(yè)生產(chǎn)：壓強(qiáng)：溫度一定時(shí)，增大混合氣體的壓強(qiáng)對(duì)合成氨的速率和平衡都有利，但壓強(qiáng)越大需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，一般采用21075107 Pa。溫度：從平衡的角度考慮，合成氨低溫有利，但是溫度過低反應(yīng)速率變慢，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡，很不經(jīng)濟(jì)，所以實(shí)際生產(chǎn)中，采用500左右的適宜溫度(在此溫度時(shí)催化劑的活性最大)。催化劑：為了加快反應(yīng)速率，采用以鐵為主體的鐵催化劑。濃度：不斷地補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，及時(shí)地分離出氨氣。 可逆反應(yīng)3H2(g)N2(g) 2NH3(g)；H0達(dá)到平衡后，為了使H2的轉(zhuǎn)化率增大，下列選項(xiàng)中采用的三種方法都正確的是()A升高溫度，降低壓強(qiáng)，增加氮?dú)釨降低溫度，增大壓強(qiáng)，加入催化劑 C升高溫度，增大壓強(qiáng)，增加氮?dú)?D降低溫度，增大壓強(qiáng)，分離出部分氨 解析：本題旨在考查影響化學(xué)平衡的外界因素的應(yīng)用與分析。本題要求增大合成氨反應(yīng)中氫氣的轉(zhuǎn)化率，就是在不增加氫氣的情況下，改變合成氨反應(yīng)的其他條件，使更多的氫氣轉(zhuǎn)化為氨。從化學(xué)平衡分析也就是使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。先分析溫度的影響，合成氨是放熱反應(yīng)，從理論上分析應(yīng)采用盡可能低的溫度，選項(xiàng)A、C中升高溫度是錯(cuò)誤的。合成氨反應(yīng)前后都是氣體物質(zhì)，反應(yīng)前氣體體積比反應(yīng)后氣體體積更大，所以增大壓強(qiáng)會(huì)使平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)方向移動(dòng)，選項(xiàng)A是錯(cuò)誤的，其他選項(xiàng)中增大壓強(qiáng)是正確的。有關(guān)濃度的影響，增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度，會(huì)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，在合成氨反應(yīng)中增加氮?dú)夂蜏p少(分離出)氨可以使反應(yīng)向正方向移動(dòng)。加入催化劑可加快反應(yīng)，但對(duì)平衡移動(dòng)無影響，選項(xiàng)B是錯(cuò)誤的。所以只有選項(xiàng)D是正確的。答案：D 合成氨的反應(yīng)：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)，在一定條件下已達(dá)到平衡狀態(tài)。(1)此時(shí)_相等，_保持不變，而_卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是_平衡。 (2)若降低溫度，會(huì)使上述化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是_反應(yīng)，生成1摩爾氨的反應(yīng)熱是46.1 kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_。 (3)合成氨時(shí)，選擇500高溫的目的是_。 (4)若反應(yīng)容器的體積不變，原反應(yīng)溫度不變，而將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，則上述平衡向_移動(dòng)；若在平衡體系中加入氦氣，則上述平衡_移動(dòng)。解析：解決此問題的關(guān)鍵是：(1)根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的定義及特點(diǎn)可知，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，各反應(yīng)物和生成物的濃度保持不變，而正、逆反應(yīng)卻仍在進(jìn)行，因此化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡。(2)由溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響可知，降低溫度使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)。由題意知，生成2 mol氨的反應(yīng)熱是46.1 kJ2，即92.2 kJ，則合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N2(g) 3H2(g)2NH3 (g)；H92.2 kJmol1。(3)升高溫度和加入催化劑都能加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時(shí)活性最大。(4)若保持反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度不變，將平衡體系中的混合氣體的濃度增大1倍，其效果相當(dāng)于增大體系的壓強(qiáng)，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，可判斷上述平衡應(yīng)該向正反應(yīng)方向移動(dòng)。若在平衡體系中加入氦氣，氦氣不參與反應(yīng)，由于反應(yīng)容器的體積和反應(yīng)溫度都不變，氦氣的加入只是增大了容器內(nèi)總的壓強(qiáng)，并未改變反應(yīng)體系的壓強(qiáng)，因此氦氣的加入對(duì)上述平衡沒有影響即化學(xué)平衡不移動(dòng)。 答案：(1)正、逆反應(yīng)速率各反應(yīng)物和生成物的濃度正、逆反應(yīng)動(dòng)態(tài)(2)放熱N2(g) 3H2(g)2NH3(g)；H92.2 kJmol1(3)加快反應(yīng)速率，工業(yè)上用的催化劑在該溫度時(shí)活性最大(4)正反應(yīng)方向不合成氨生產(chǎn)的工藝流程探究合成氨生產(chǎn)的工藝流程探究1生產(chǎn)流程：制氣凈化除雜壓縮合成冷卻分離循環(huán)壓縮。 合成氨生產(chǎn)示意圖：2原料氣的制備(1) N2物理方法：將空氣液化蒸發(fā)分離出N2。由于相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，空氣中所含氣體的沸點(diǎn)：N2O2CO2H2O(g)，因此，高壓下將空氣液化后，經(jīng)減壓蒸發(fā)，最先得到的是N2，然后還可以得到O2等。此法是目前工業(yè)上制取N2和O2的主要方法。工業(yè)上的化學(xué)方法：用煤在空氣中燃燒，除去O2，吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后，得到N2。(2) H2工業(yè)上用水蒸氣與焦炭在高溫下反應(yīng)，吸收CO2后制得。 CH2O(g) COH2COH2O(g) CO2H2工業(yè)上也可用碳?xì)浠衔锱c氧氣或水蒸氣反應(yīng)生成CO2和H2，吸收CO2后制得H2。如CH4H2O CO3H2，COH2O CO2H2。 3原料氣凈化、除雜、壓縮后通入合成塔。 催化劑4NH3的合成 在合成塔中進(jìn)行。從塔口進(jìn)氣，經(jīng)熱交換器與塔內(nèi)反應(yīng)后的高溫氣體逆流交換熱量后，進(jìn)入接觸室與鐵觸媒接觸反應(yīng)，從塔下口出氣。 5NH3的分離 混合氣經(jīng)冷卻后，進(jìn)入氨分離器，只有氨氣在該壓強(qiáng)下液化得到液氨，而未反應(yīng)的N2和H2經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮后，再通入合成塔中進(jìn)行反應(yīng)。因此，雖然合成氨反應(yīng)的產(chǎn)率不高，但經(jīng)過循環(huán)反應(yīng)后，N2和H2可以全部轉(zhuǎn)化為NH3。 此外，如果讓N2和H2的混合氣體，只一次通過合成塔起反應(yīng)也是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將與NH3分離后的原料氣循環(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，以有利于合成氨反應(yīng)。 下面是合成氨的簡(jiǎn)要流程示意圖：請(qǐng)回答下列問題： 沿X路線回去的物質(zhì)是_，其體積比為_。解析：合成氨的反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，所以從合成塔中出來的氣體主要是N2、H2和NH3，在冷凝器中NH3因沸點(diǎn)低被冷凝，沿X路線回去的氣體是N2和H2，且其體積比為1 3。因?yàn)槌淙氲腘2和H2的體積比是1 3，反應(yīng)的N2和H2的體積比是1 3，所以剩余的N2和H2的體積比也是1 3。答案：N2和H21 31. 碳酸銨(NH4)2CO3)在室溫下就能自發(fā)地分解產(chǎn)生氨氣，對(duì)其說法正確的是() A碳酸銨分解是因?yàn)樯闪艘讚]發(fā)的氣體，使體系的熵增大 B碳酸銨分解是因?yàn)橥饨缃o予了能量 C碳酸銨分解是吸熱反應(yīng)，根據(jù)能量判據(jù)不能自發(fā)分解 D碳酸鹽都不穩(wěn)定，都能自發(fā)分解解析：碳酸銨自發(fā)分解，是因?yàn)轶w系由于氨氣的生成而使熵增大。答案：A2有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中，正確的是() A從合成塔出來的混合氣體，其中NH3只占15%，所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低 B由于氨易液化，N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中是循環(huán)使用，所以總體來說氨的產(chǎn)率很高 C合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng) D合成氨廠采用的壓強(qiáng)是21075107 Pa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大2解析：合成氨的反應(yīng)在適宜的生產(chǎn)條件下達(dá)到平衡時(shí)，原料的轉(zhuǎn)化率并不高，但生成的NH3分離出后，再將未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)利用，這樣處理后，可使生產(chǎn)氨的產(chǎn)率都較高，據(jù)此可知A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；合成氨工業(yè)選擇500左右的溫度，是綜合了多方面的因素確定的。因合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫才有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；無論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡考慮，高壓更有利于合成氨，但壓強(qiáng)太大，對(duì)設(shè)備、動(dòng)力的要求更高，基于此選擇了21075107 Pa的高壓，催化劑活性最大時(shí)的溫度是500，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：B