高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四节 化学反应的调控学案

第4节化学反应的调控学案

必备知识·自主学习

一、合成氨反应的特点

1．反应原理

N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1

2．反应特点

(1)(前后串联)能加快合成氨反应的速率的方法有哪些？

提示：增大压强、升高温度、增大反应物浓度、使用催化剂等，都能加快合成氨反应的速率。

(2)(前后串联)能增大合成氨限度的方法有哪些？

提示：增大压强、降低温度、增大反应物浓度等。

二、合成氨条件的选择

1．合成氨反应条件的选择原则

工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件。

(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；

(2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量；

(3)考虑设备的要求和技术条件。

2．合成氨反应的适宜条件

(1)压强

①适宜条件：10MPa～30MPa。

②选择依据：压强越大，要求动力越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高。

(2)温度

①适宜条件：400～500℃左右。

②选择依据：该温度下催化剂的活性最大，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。

(3)催化剂

适宜条件：以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。

(4)浓度

①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8时混合，适时分离出氨气。

②选择依据：适当提高N2的浓度，来提高H2的转化率。

(5)其他

兼顾环境保护和社会效益，为了提高原料的利用率，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。

判断下列说法是否正确(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)合成氨反应在高温下能自发进行。(　　)

提示：×。合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在高温大于0。

(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。(　　)

提示：×。合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。

(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(　　)

提示：×。催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。

关键能力·合作学习

知识点　工业生产中适宜生产条件的选择思路

1．分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体化学计量数的变化、焓变三个角度分析。

2．根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和化学平衡的影响。

3．从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，权衡利弊，选出适宜的条件。

在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？催化剂铁触媒以什么形态存在更有利于反应进行？(变化观念与平衡思想)

提示：为了加快反应速率。铁触媒是固体，粉末状更有利于反应进行。

【典例】(2021·烟台高二检测)下列关于工业合成氨的叙述正确的是(　　)

A．合成氨工业温度选择为700 K左右，只要是为了提高NH3产率

B．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响

C．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率

D．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度

【思维建模】解析有关合成氨条件选择问题的思维流程如下：

温度——升高温度利于化学反应速率，降低温度利于化学平衡移动；

压强——增大压强利于化学反应速率和化学平衡移动；

催化剂——使用催化剂利于化学反应速率，不影响化学平衡；

浓度——增大一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，移走生成物利于平衡移动。

【解析】选C。合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，故A错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无影响，故B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，故C正确；增加一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氮气的浓度，故D错误。

【母题追问】通过增加一种反应物浓度可以提高另一种原料的利用率，向体系中通入H2还是N2成本更低？

提示：N2。N2来源于空气，更廉价易得。

实际化工生产条件的选择需要注意的问题

(1)选取适宜的化工生产条件时，既要考虑反应速率问题，又要考虑化学平衡移动的问题，同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。

(2)温度的选择，不仅要考虑速率、平衡问题，同时还要照顾到催化剂的活性。

(3)压强的选择，除了考虑速率和平衡问题，还要考虑对设备的技术要求和成本问题。

1．在一定条件下，对于密闭容器中的反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是(　　)

A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大

B．增加铁触媒的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量

C．达到平衡时，氢气和氨气的浓度比一定为3∶2

D．分别用氮气和氢气来表示该反应的转化率时，数值大小一定相同

【解析】选A。当氮气和氢气投料比为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加铁触媒的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；平衡时，物质的浓度关系取决于起始量和转化率，所以达到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；反应速率之比等于化学计量数之比，因化学计量数不同，则反应速率的数值不同，D错误。

2．德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)

A.①②③　　  B．②④⑤　　 C．①③⑤　　 D．②③④

【解析】选B。②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。

3．工业合成氨N2＋3H22NH3　ΔH<0的生产条件选择中，能用勒夏特列原理解释的是(　　)

①使用催化剂　②高温　③高压　④及时将氨气液化从体系中分离出来

A．①③　　　 　B．②③　　 C．③④　　 　D．②④

【解析】选C。使用勒夏特列原理，研究的对象是可逆反应，以及改变某因素平衡向削弱这方面移动，①催化剂对化学平衡无影响，故①错误；②正反应方向是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，不利于生成氨气，故②错误；③增大压强，有利于向正反应方向进行，故③正确；④从体系中分离出氨气，减少生成物浓度，有利于向氨气生成的方向进行，故④正确。

4．(2021·福州高二检测)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3 (g)　ΔH＝－196 kJ· mol－1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)

(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是___________________________________________________________________。

(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是________________

____________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

(3)在生产中，通入过量空气的目的是___________________________________

___________________________________________________________________。

(4)尾气中有SO2必须回收是为了_____________________________________

___________________________________________________________________。

【解析】从提高反应速率考虑，合成SO3需要加入催化剂和升温、加压；从增大反应物的转化率方面考虑，合成SO3需低温，加压，通入廉价空气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜条件。

答案：(1)低温、高压

(2)该温度是催化剂的活性最强的温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间

(3)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率

(4)减少对环境的污染

三言两语话重点

1．合成氨反应的3特点：可逆、放热、气体分子数减少。

2．合成氨条件的选择：采用铁触媒、400～500 ℃、10 MPa～30 MPa。