学年高中化学同步讲练24 化学反应条件的优化工业合成氨1鲁科版选修4.docx
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学年高中化学同步讲练24化学反应条件的优化工业合成氨1鲁科版选修4
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
[目标要求] 1.认识合成氨的化学原理。
2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。
3.了解合成氨生产的主要流程。
4.了解工业条件选择的依据和原则。
一、合成氨反应的限度
1.合成氨的化学反应方程式________________________________________。
2.合成氨反应的特点
(1)它是一个________反应。
(2)正反应是一个________反应。
(3)正反应是气体体积________的反应。
因此,________温度、________压强将有利于化学平衡向生成____的方向移动。
在一定温度、压强下,反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率
1.速率方程:
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)·c3/2(H2)·c-1(NH3),由速率方程可知:
________N2或H2的浓度,减小NH3的浓度,都有利于提高合成氨反应的速率。
2.温度升高时,k增大,因此升温有利于提高合成氨的速率。
3.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上万亿倍。
三、合成氨的适宜条件
1.合成氨反应条件的选择原理
工业生产中,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____________,提高单位时间内的产量。
以上两点是选择反应条件的出发点,当二者发生矛盾时,要结合具体情况具体分析,找出最佳的反应条件。
2.合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件
②理论依据:
压强越大,要求动力越大,对材料和设备的制造要求就越高。
(2)温度
①适宜条件:
________左右。
②理论依据:
该温度下催化剂的活性最高,反应速率比较快,氨的含量也相对较高。
(3)催化剂
①适宜条件:
以____为主的多成分催化剂。
②理论依据:
加快反应速率。
(4)浓度
①适宜条件:
氮气和氢气按物质的量之比1∶2.8时混合,适时分离出氨气。
②理论依据:
适当提高氮气的分压,来提高氢气的转化率。
(5)其他
为了提高原料的__________,未反应的氮气和氢气循环使用并及时补充氮气和氢气。
3.合成氨工业生产流程
(1)原料气的制取
N2:
将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2,除去CO2后得N2。
H2:
用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。
用天然气和水制H2的主要反应为:
CH4+H2O(g)
CO+3H2
CO+H2O(g)
CO2+H2
(2)制得的N2、H2需净化、除杂质,再用压缩机压缩至高压。
(3)氨的合成:
在适宜的条件下,在合成塔中进行。
(4)氨的分离:
经冷凝使氨液化,将氨分离出来,提高原料的利用率,并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔,使其被充分利用。
4.合成氨的发展前景
(1)寻找________温度下合成氨的催化剂。
(2)研制出能承受________且廉价的新材料。
(3)人工模拟生物固氮。
知识点一 合成氨反应的限度
1.能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( )
A.升高温度B.降低压强C.使用催化剂D.不断移去NH3
2.利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高N2的转化率应采取的措施是( )
A.高温B.高压C.使用催化剂D.增大N2的浓度
知识点二 合成氨条件的选择
3.下列有关合成氨工业的叙述,可用勒·夏特列原理来解释的是( )
A.使用铁触媒,使N2和H2混合气体有利于合成氨
B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C.500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率
4.2007年10月10日,德国科学家格哈德·埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖,以奖励他在表面化学领域做出的开拓性贡献。
合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高,就是埃尔特的研究成果。
下列关于合成氨反应的叙述中,正确的是( )
A.铁作催化剂可加快反应速率,且有利于平衡向合成氨的方向移动
B.将氨从混合气中分离,可加快反应速率,且有利于平衡向合成氨的方向移动
C.升高温度可以加快反应速率,且有利于平衡向合成氨的方向移动
D.增大压强可加快反应速率,且有利于平衡向合成氨的方向移动
5.工业合成氨的反应是在500℃左右进行的,这主要是因为( )
A.500℃时此反应速率最快
B.500℃时NH3的平衡浓度最大
C.500℃时N2的转化率最高
D.500℃时该反应的催化剂活性最大
练基础落实
1.关于工业合成氨的叙述中,错误的是( )
A.在动力、设备、材料允许的情况下,反应尽可能在高压下进行
B.温度越高越有利于工业合成氨
C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率,降低成本
D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动
2.在合成氨时,要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容,再充入等量的N2和H2
⑥恒温恒压,再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A.②④⑤⑦B.②③④⑤⑦⑧C.②⑤D.②③⑤⑧
3.在N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中,当分离出NH3时,下列说法正确的是( )
A.改变条件后速率—时间图象如右图:
B.此过程中Q>K
C.平衡体系中NH3的含量增大
D.N2的转化率增大
4.在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积分数为25%。
若反应前后压强不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值为( )
A.1∶5B.1∶4C.1∶3D.1∶2
5.对于合成氨的反应,使用催化剂和施加高压,下列叙述中,正确的是( )
A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响
B.都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡状态所用的时间
C.都能缩短达到平衡状态所用的时间,只有压强对化学平衡状态有影响
D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而压强无此作用
题号
1
2
3
4
5
答案
练方法技巧
6.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=-198kJ·mol-1。
(已知制SO3过程中催化剂是V2O5,它在400℃~500℃时催化效果最好)
下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):
(1)根据化学理论综合分析,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
________________________________________________________________________。
(1)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)在生产中,通入过量空气的目的是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)尾气中有SO2,必须回收是为了
________________________________________________________________________。
7.根据碰撞理论,分子在发生反应时必须要进行有效碰撞。
那些具有足够高能量,能发生有效碰撞的分子称为活化分子,要使普通分子成为活化分子所需最小能量称为活化能(Ea)。
一定温度下气体分子中的活化分子百分数是一定的,而催化剂可以改变活化能的大小。
如图表示298.15K时,N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图,据图回答:
(1)若反应中生成2mol氨,则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。
(2)在图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线,铁触媒能加快反应速率的原理是_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)目前合成氨工业广泛采用的反应条件500℃、20MPa~50MPa、铁触媒,反应转化率不超过50%,工业上为了进一步提高氨气产率,你认为下列措施最经济可行的是
________________________________________________________________________。
A.降低反应温度,让反应向着有利于氨气生成的方向进行
B.升高温度,让更多的分子变成活化分子
C.寻求能在更低的温度下有很强催化活性的新型催化剂
D.寻求新型耐高压材料,将压强增大一倍
8.在容积相同的密闭容器中,分别充入等量的氮气和氢气,在不同温度下发生反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的),绘成图象如图所示,请回答:
(1)A、B、C、D、E五点中,肯定未达平衡的点是
________________________________________________________________________。
(2)此可逆反应的正反应是__________热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线,CE曲线是减函数曲线,试从化学反应速率和化学平衡的角度分析,并说明理由
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
练综合拓展
9.下表的实验数据是在不同温度和压强下,平衡混合物中NH3含量的变化情况。
达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[入料V(N2)∶V(H2)=1∶3]
(1)比较200℃和300℃时的数据,可判断升高温度,平衡向____________方向移动,正反应方向为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)根据平衡移动原理,合成氨适宜的条件是________。
A.高温高压B.高温低压C.低温高压D.低温低压
(3)计算500℃,30MPa时N2的转化率________。
(4)实际工业生产合成氨时,考虑浓度对化学平衡的影响,还采取了一些措施。
请写出其中的一个措施:
________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
10.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。
曾有实验报道:
在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3。
进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105Pa、反应时间3h):
T/K
303
313
323
353
NH3生成量/(10-6mol)
4.8
5.9
6.0
2.0
相应的热化学方程式如下:
N2(g)+3H2O(l)===2NH3(g)+
O2(g)
ΔH=765.2kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图,并进行必要标注。
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢。
请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)。
设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为
。
计算:
①该条件下N2的平衡转化率;
②该条件下反应2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)的平衡常数。
基础落实
一、1.N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
2.
(1)可逆
(2)放热 (3)减小 降低 增大 氨
二、1.增大
三、1.转化率 反应速率
2.
(1)①低压 中压 高压
(2)①700K (3)①铁 (5)利用率
4.
(1)较低
(2)高压
对点训练
1.D [合成氨的反应特点:
体积减小的放热反应,增大压强或降低温度均可增大反应进行的程度,此外增大反应物浓度或减小生成物浓度也可达到目的。
]
2.B [由于合成氨的反应是一个体积减少的反应,高压有利于平衡右移,提高N2的转化率;又由于该反应为放热反应,高温平衡逆向移动,N2的转化率降低;使用催化剂仅提高反应速率,不会使平衡发生移动;增大N2的浓度,使平衡右移,但N2的转化率降低。
]
3.B [催化剂不影响平衡移动;合成氨采用500℃是综合考虑反应速率和转化率及催化剂的活性温度;采用循环操作与平衡移动无关。
]
4.D 5.D
课时作业
1.B [合成氨的反应为放热反应,温度越高,NH3的产率越低,温度太高会影响催化剂的催化效果。
]
2.C
3.D [分离出NH3,使平衡向正反应方向移动,故v正>v逆,A项不正确;此状态下应是Q ] 4.A [假设平衡时混合气体的物质的量为100mol,则NH3占到25mol,由反应方程式的差值关系得到反应中气体减少了25mol,则原气体为125mol。 ] 5.C 6. (1)常压、450℃、催化剂 (2)在此温度下催化剂的活性最高 (3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,比起高压设备,得不偿失 (4)增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率 (5)防止污染环境 解析 解答本题注意以下两点: ①抓住本反应的反应特点。 ②把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。 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。 7. (1)放热 92 (2)b 降低了合成氨反应的活化能 (3)C 解析 (1)由图中能量状态可知N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量,故该反应为放热反应,且反应N2+3H2 2NH3每生成2molNH3放出(600-508)kJ=92kJ热量。 (2)合成氨反应中,加入铁触媒后,由于改变了反应历程,使反应的活化能降低,从而加快了反应速率,故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。 8. (1)A点、B点 (2)放 (3)AC曲线是增函数曲线,温度升高,反应速率加快,生成NH3的质量分数增多;CE曲线是减函数曲线,此反应的正反应是放热反应,达到平衡后,温度升高,平衡向逆反应方向移动,NH3的质量分数降低 解析 (1)从图象中看出C点时,NH3的质量分数最高,说明A、B两点均未达到平衡; (2)达到平衡(C点)后,升高温度,NH3的质量分数降低,说明此反应的正反应放热。 9. (1)逆反应 放热 (2)C (3)41.77% (4)加入过量的N2或及时从平衡体系中移走NH3 解析 根据表中的数据,当压强一定时,升温,NH3的含量减小,即平衡向逆反应方向移动,即正反应为放热反应;当温度一定时,增大压强,NH3的含量增大,即增大压强有利于平衡向正反应方向移动,故合成氨适宜的条件是低温高压。 (4)在500℃,30MPa时,NH3的含量为26.4%,设转化的N2体积为x,则有 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 起始体积130 转化体积x3x2x 平衡体积1-x3-3x2x ×100%=26.4%,x=0.4177 则N2的转化率为41.77%。 10. (1) (2)升温、增大N2浓度、不断移出生成物 (3)①66.7% ②5.0×10-3mol2·L-2 解析 (1)催化剂能降低反应的活化能,改变反应的历程,使一个高能变过程变为几个能量相对低的过程,使反应易发生。 要点是有催化剂时能量低而过程阶段多了。 图见答案。 (2)加快反应速率且增大NH3生成量的方法是升温、增大N2浓度、不断移出生成物。 (3)解: ①设反应过程消耗xmolN2(g)。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 0.601.600 0.60-x1.60-3x2x 平衡时反应体系总物质的量=[(0.60-x)+(1.60-3x)+2x]mol=(2.20-2x)mol NH3(g)的物质的量分数=2x÷(2.20-2x)= x=0.40 N2的平衡转化率= ×100%=66.7% ②设反应2NH3(g) N2(g)+3H2(g)的平衡常数为K。 平衡时,[NH3]=2×0.40mol÷2.0L=0.40mol·L-1 [N2]=(0.60-0.40)mol÷2.0L=0.10mol·L-1 [H2]=(1.60-3×0.40)mol÷2.0L=0.20mol·L-1 K= =[(0.10mol·L-1)× (0.20mol·L-1)3]÷(0.40mol·L-1)2 =5.0×10-3mol2·L-2。
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