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鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨说课课件ppt
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这是一份鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨说课课件ppt，共44页。PPT课件主要包含了学业基础，核心素养，当堂评价，核心微网络，催化剂，反应速率，反应限度，转化率，合成氨的适宜条件，∶28等内容，欢迎下载使用。
素养新目标1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。3．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。
一、合成氨反应的限度1．反应原理N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)在298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·ml－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·ml－1。2．反应特点
3．影响因素(1)反应条件：________温度、________压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为________时平衡混合物中氨的百分含量最高。
状元随笔 合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未转化的N2、H2循环使用的措施。
二、合成氨反应的速率1．增大合成氨反应速率的方法2．浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，________NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
状元随笔 温度升高，k值增加，加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。
三、合成氨反应的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从________和________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的________，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
状元随笔 合成氨反应条件的选择原则1．尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。2．选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。3．考虑设备和技术条件。
【即学即练】1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)合成氨反应在高温下能自发进行。( )(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。( )(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( )
解析：合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温时小于0。
解析：合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。
解析：合成氨正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动。
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( )(5)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )(6)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )(7)加入催化剂，对合成氨的正逆反应的反应速率影响程度相同( )
解析：催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。
解析：合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大。
解析：合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大。
解析：加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同。
2．合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明( )A．表中所测数据有明显误差B．生产条件控制不当C．氨的分解速率大于预测值D．合成塔中的反应并未达到平衡
解析：表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。
3．(双选)硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O2 2SO3的说法中正确的是( )A．实际生产中，SO2和O2再循环使用体现绿色化学B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多D.在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
解析：反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，因此SO2、O2循环使用可避免污染，提高利用率，体现了绿色化学，A正确；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。
4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH＜0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是( )A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂
解析：该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
5．(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( )A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大
解析：温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。
6．工业上有一种用CO2生产甲醇燃料的方法：CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－49.0 kJ·ml－1某实验中将6 ml CO2和8 ml H2充入2 L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图曲线(甲)所示。请完成下列问题：(1)a点正反应速率________逆反应速率(填“＞”“＜”或“＝”)。(2)若仅改变某一实验条件再进行一次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线(乙)所示，虚线(乙)对应改变的实验条件可以是________(填序号)。a．加催化剂 b．增大压强c．升高温度 d．增大CO2浓度
解析：(1)a点时，H2量减小，反应向正反应方向进行，v正＞v逆。(2)由图像知虚线(乙)中H2的反应速率变大，结合化学方程式可知，增大压强或增大CO2浓度均可以加快H2的消耗速率，且达到平衡时H2的物质的量小于甲；使用催化剂尽管可以增大反应速率，但平衡状态应与甲相同；升高温度可增大反应速率，但平衡时H2的量应多于甲，故b、d项符合题意。
目标 工业合成氨适宜条件的选择例 在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( )①增大容器体积使压强减小②减小容器体积使压强增大③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．①②③⑤⑧
解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡正向移动，使氨的产率增大，③使化学平衡逆向移动，⑧不影响化学平衡。
状元随笔 工业生产中选择适宜生产条件的思路：对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件的基本思路如下：(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。(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，选出适宜的反应条件。
[提升] 下列有关合成氨工业的说法正确的是( )A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B．恒容条件下，充入稀有气体有利于NH3的合成C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
解析：A错，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成。B错，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响。C错、D对，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS＜0，在常温条件下该反应能自发进行。
状元随笔 (1)合成氨生产的要求。合成氨工业要求：①反应要有较快的反应速率。②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。(2)合成氨生产条件的选择依据。①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。
【关键能力】选择合成氨生产条件的理论分析
1．(双选)工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是( )A．适当提高氨的合成速率B．提高H2的转化率C．提高氨的产率D．催化剂在700 K时活性最大
2．可逆反应3H2(g)＋N2(g)⇌2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )A．升高温度，减小压强，增加氮气B．降低温度，增大压强，加入催化剂C．升高温度，增大压强，增加氮气D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
3．1913年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．②④⑤C．①③⑤ D．②③④
4．在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 ml、30 ml，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为( )A．15 ml和25% B．20 ml和50%C．20 ml和75% D．40 ml和50%
5.(双选)某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( )A．将1 ml氮气、3 ml氢气，置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.2 kJB．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)＝K(B)C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大D．升高温度，平衡常数K增大
解析：该反应为可逆反应，加入的1 ml N2和3 ml H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.2 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项正确；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动、H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。
升高温度、增大N2浓度、不断移出生成物
5.0×10－3ml2·L－2
素养新目标1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。3．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。
一、合成氨反应的限度1．反应原理N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)在298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·ml－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·ml－1。2．反应特点
3．影响因素(1)反应条件：________温度、________压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为________时平衡混合物中氨的百分含量最高。
状元随笔 合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未转化的N2、H2循环使用的措施。
二、合成氨反应的速率1．增大合成氨反应速率的方法2．浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，________NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
状元随笔 温度升高，k值增加，加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。
三、合成氨反应的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从________和________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的________，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
状元随笔 合成氨反应条件的选择原则1．尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。2．选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。3．考虑设备和技术条件。
【即学即练】1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)合成氨反应在高温下能自发进行。( )(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。( )(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( )
解析：合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温时小于0。
解析：合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。
解析：合成氨正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动。
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( )(5)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )(6)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )(7)加入催化剂，对合成氨的正逆反应的反应速率影响程度相同( )
解析：催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。
解析：合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大。
解析：合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大。
解析：加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同。
2．合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明( )A．表中所测数据有明显误差B．生产条件控制不当C．氨的分解速率大于预测值D．合成塔中的反应并未达到平衡
解析：表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。
3．(双选)硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O2 2SO3的说法中正确的是( )A．实际生产中，SO2和O2再循环使用体现绿色化学B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多D.在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
解析：反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，因此SO2、O2循环使用可避免污染，提高利用率，体现了绿色化学，A正确；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。
4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH＜0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是( )A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂
解析：该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
5．(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( )A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大
解析：温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。
6．工业上有一种用CO2生产甲醇燃料的方法：CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－49.0 kJ·ml－1某实验中将6 ml CO2和8 ml H2充入2 L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图曲线(甲)所示。请完成下列问题：(1)a点正反应速率________逆反应速率(填“＞”“＜”或“＝”)。(2)若仅改变某一实验条件再进行一次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线(乙)所示，虚线(乙)对应改变的实验条件可以是________(填序号)。a．加催化剂 b．增大压强c．升高温度 d．增大CO2浓度
解析：(1)a点时，H2量减小，反应向正反应方向进行，v正＞v逆。(2)由图像知虚线(乙)中H2的反应速率变大，结合化学方程式可知，增大压强或增大CO2浓度均可以加快H2的消耗速率，且达到平衡时H2的物质的量小于甲；使用催化剂尽管可以增大反应速率，但平衡状态应与甲相同；升高温度可增大反应速率，但平衡时H2的量应多于甲，故b、d项符合题意。
目标 工业合成氨适宜条件的选择例 在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( )①增大容器体积使压强减小②减小容器体积使压强增大③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用催化剂A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧C．②⑤ D．①②③⑤⑧
解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡正向移动，使氨的产率增大，③使化学平衡逆向移动，⑧不影响化学平衡。
状元随笔 工业生产中选择适宜生产条件的思路：对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件的基本思路如下：(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。(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，选出适宜的反应条件。
[提升] 下列有关合成氨工业的说法正确的是( )A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成B．恒容条件下，充入稀有气体有利于NH3的合成C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
解析：A错，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成。B错，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响。C错、D对，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS＜0，在常温条件下该反应能自发进行。
状元随笔 (1)合成氨生产的要求。合成氨工业要求：①反应要有较快的反应速率。②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。(2)合成氨生产条件的选择依据。①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。
【关键能力】选择合成氨生产条件的理论分析
1．(双选)工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是( )A．适当提高氨的合成速率B．提高H2的转化率C．提高氨的产率D．催化剂在700 K时活性最大
2．可逆反应3H2(g)＋N2(g)⇌2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )A．升高温度，减小压强，增加氮气B．降低温度，增大压强，加入催化剂C．升高温度，增大压强，增加氮气D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
3．1913年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．②④⑤C．①③⑤ D．②③④
4．在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 ml、30 ml，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为( )A．15 ml和25% B．20 ml和50%C．20 ml和75% D．40 ml和50%
5.(双选)某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( )A．将1 ml氮气、3 ml氢气，置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.2 kJB．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)＝K(B)C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大D．升高温度，平衡常数K增大
解析：该反应为可逆反应，加入的1 ml N2和3 ml H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.2 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项正确；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动、H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。
升高温度、增大N2浓度、不断移出生成物
5.0×10－3ml2·L－2
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