資源簡介

2.3 第3課時　化學平衡移動原理的應用
【學習目標】
1.了解合成氨反應的特點以及外部條件對合成氨反應的影響,了解合成氨生產的主要流程,體會應用化學原理分析化工生產條件的思路和方法。
2.認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要應用,探索最適宜的化工生產條件。
【合作探究】
任務1　工業合成氨反應的適宜條件
【學習情境】
合成氨工業是關系我國國民經濟的重要行業,是我國化肥工業的基礎,也是傳統煤化工的重要組成部分。氨是重要的化工原料,主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡膠等;氨在冶金、機械加工、電子、造紙等行業用途廣泛。合成氨從第一次實驗室研究到工業化生產經歷了約150年的時間。為什么合成氨的工業化生產會經歷如此漫長的過程呢 合成氨工廠為什么需要龐大而復雜的生產設備和特殊生產條件呢 應該從哪些方面選擇合成氨的反應條件呢
【新知生成】
1.增大合成氨反應速率的方法
2.提高平衡混合物中氨含量的方法
3.合成氨的適宜條件
(1)壓強:　　　　。
(2)溫度:　　　　。
(3)催化劑:　　　　。
(4)濃度:在反應器中注入過量的　　　;不斷將氨　　　　　,并及時　　　液氨;未反應的氮氣和氫氣　　　　利用。
【答案】1.升高　增大　增大　催化劑
2.降低　增大 增大
3.(1)1.3×107~3×107 Pa　(2)<500℃　(3)鐵觸媒　(4)氮氣　液化　移去　循環
【活動探究】
1.原理分析:根據合成氨反應的特點,利用我們學過的影響反應速率的因素和勒夏特列原理分析應如何選擇反應條件,以增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量,請填寫下表。
條件 提高反應速率 提高平衡轉化率
壓強
溫度
催化劑
濃度 　　　　反應物濃度 　　　　反應物濃度, 　　　　生成物濃度
　　【答案】增大　增大　升高　降低　使用　無影響　增大　增大　減小
2.通過原理分析,增大合成氨的反應速率、提高平衡混合物中氨的含量采取的措施是否一致
【答案】二者在壓強這一措施上是一致的,在溫度這一措施上是不一致的。
3.在工業生產中,可以通過以下途徑來提高合成氨的產率,請利用有關知識分析采取這些措施的原因。
(1)向反應器中注入過量N2:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)采用適當的催化劑:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)在高壓下進行反應:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)在較高溫度下進行反應:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)不斷將氨液化,并移去液氨:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)平衡正向移動,提高氫氣的利用率
(2)加快反應速率,提高單位時間內氨氣的產量,提高生產效率
(3)增大化學反應速率,使平衡正向移動,提高單位時間內氨氣的產量和原料的轉化率
(4)加快化學反應速率
(5)平衡正向移動,提高氨氣的產率
4.工業生產中增大壓強既可提高反應速率,又可提高氨的產量,那么在合成氨工業中壓強是否越大越好 為什么
【答案】不是,溫度一定時,增大混合氣的壓強對合成氨的速率和平衡都有利,但壓強越大,需要的動力也越大,對材料的強度和設備的制造要求也越高,這將會大大增加生產投資成本,并可能降低綜合經濟效益,一般采用1.3×107~3×107 Pa。
【核心突破】
典例1　下列有關合成氨工業的說法中,正確的是(　　)
A.增大H2的濃度,可提高H2的轉化率
B.由于氨易液化,N2、H2在實際生產中可循環使用,所以總體來說氨的產率很高
C.合成氨工業的反應溫度控制在500 ℃,目的是使化學平衡向正反應方向移動
D.合成氨廠采用的壓強是1.3×107~3×107 Pa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最大
【解析】A項,增大H2的濃度,H2的轉化率減小;C項,溫度控制在500 ℃的目的是此溫度下催化劑活性最大;D項,壓強采用1.3×107~3×107 Pa壓強是考慮對設備材料的要求。
【答案】B
歸納總結：合成氨的工藝流程
訓練1　下列有關合成氨工業的敘述,不能用平衡移動原理來解釋的是(　　)
A.使用鐵觸媒有利于合成氨的反應
B.高壓比常壓更加有利于合成氨的反應
C.溫度過高不利于氨的生成
D.使反應混合物中的氨液化有利于合成氨的反應
【解析】使用鐵觸媒,能同等程度地加快正逆反應的速率,但正逆反應速率仍相等,因而平衡不發生移動,只是可以縮短達到平衡所需的時間,不能用平衡移動原理來解釋。
【答案】A
訓練2　下列說法正確的是(　　)
A.H2(g)+I2(g)2HI(g),其他條件不變,縮小反應容器體積,正逆反應速率不變
B.C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g),氣體的總物質的量不再改變不能說明反應已達平衡
C.若壓強不再隨時間變化能說明反應2A( )+B(g)2C( )已達平衡,則A、C不能同時是氣體
D.1 mol N2和3 mol H2反應達到平衡時H2的轉化率為10%,放出的熱量為Q1;在相同溫度和壓強下,當2 mol NH3分解為N2和H2的轉化率為10%時,吸收的熱量為Q2,Q2等于Q1
【答案】D
任務2　工業反應條件的優化
【新知生成】
1.在實際生產過程中,工藝條件的選擇往往會受到反應　　　、反應溫度和壓強、　　　　　　、　　　　　　、催化劑選擇、裝置設備、產物分離、環境保護等諸多因素的制約。
2.在不同的化工生產中,對這些因素的要求往往是各異的,并非與化學平衡移動原理所預測的結果一致。此時,必須針對不同的生產實際進行　　　　　　　,綜合考慮各種因素的影響,比較、權衡后設計　　　　的工藝方案。
【答案】1.原料　反應速率　反應限度
2.具體分析　最優
【核心突破】
典例2　硫酸工業中通過下列反應使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-198kJ·mol-1。已知制SO3過程中催化劑是V2O5,它在400~500 ℃時催化效果最好。下表為不同溫度和壓強下SO2的轉化率(%):
　　　　　壓強 轉化率 溫度　　　　　 1×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa
450℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
(1)根據化學原理綜合分析,從化學反應速率和原料轉化率角度分析,生產中應采取的條件是　 。
(2)實際生產中,選定400~500 ℃作為操作溫度,其原因是　 。
(3)實際生產中,采用的壓強為常壓,其原因是　 。
(4)在生產中,通入過量空氣的目的是　 。
(5)尾氣中有SO2必須回收是為了　 。
【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的轉化率已經很高(97.5%),若采用高壓,平衡能向右移動,但效果并不明顯,比起高壓設備,得不償失　(4)增大反應物O2的濃度,提高SO2的轉化率
(5)防止污染環境
歸納總結：(1)選擇適宜工業生產條件的流程
①分析反應特點。主要分析反應的方向性、可逆性、反應熱和熵變等。
②原理分析。根據反應特點,利用影響反應速率的因素和勒夏特列原理分析增大反應速率、提高原料轉化率的反應條件。
③根據實驗數據進一步分析反應條件,確定適宜條件的范圍及催化劑的篩選。
④根據工業生產的實際情況、經濟效益及環保要求等最終確定適宜的條件。
(2)工業生產中化學反應條件優化的原則
外界 條件 有利于增大速率的 條件控制 有利于平衡移動 的條件控制 綜合分析結果
濃度 增大反應物的濃度 增大反應物的濃度,減小生成物的濃度 不斷地補充反應物,及時地分離出生成物
催化 劑 加合適的催化劑 無影響 加合適的催化劑
溫度 高溫 ΔH<0 低溫 兼顧速率和平衡,考慮催化劑的適宜溫度
ΔH>0 高溫 在設備條件允許的前提下,盡量采取高溫并選取適宜的催化劑
壓強 高壓(有 氣體參加) ΔVg<0 (氣體分子數減少) 高壓 在設備條件允許的前提下,盡量采取高壓
ΔVg>0 (氣體分子數增加) 低壓 兼顧速率和平衡,選取適宜的壓強
　　訓練3　NH3與O2作用分別生成N2、NO、N2O的反應均為放熱反應。工業尾氣中的NH3可通過催化氧化為N2除去。將一定比例NH3、O2和N2的混合氣體以一定流速通過裝有催化劑的反應管,NH3的轉化率、N2的選擇性與溫度的關系如圖所示。下列說法正確的(　　)
A.其他條件不變,升高溫度,NH3的平衡轉化率增大
B.其他條件不變,在175~300 ℃范圍,隨著溫度的升高,出口處氮氣、氮氧化物的量均不斷增大
C.催化氧化除去尾氣中的NH3應選擇反應溫度高于250 ℃
D.高效除去尾氣中的NH3,需研發低溫下NH3轉化率高和N2選擇性高的催化劑
【解析】由于“NH3與O2作用分別生成N2、NO、N2O的反應均為放熱反應”,根據化學平衡移動原理,升高溫度,平衡將向吸熱方向移動,即逆反應方向移動,因此NH3的平衡轉化率減小,A項錯誤;由圖示可知,在175~300 ℃范圍,隨著溫度的升高,NH3的轉化率增大,但N2的選擇性減小,根據曲線走勢可知,出口處N2物質的量不斷減小,氮氧化物的量不斷增大,B項錯誤;溫度高于250 ℃時,NH3轉化率增大,但N2的選擇性降低,C項錯誤;要高效除去尾氣中的NH3,既要考慮反應的速率,又要考慮轉化率,還要考慮節能,D項正確。
【答案】D
課堂小結
【隨堂檢測】
1.工業合成氨的反應使用催化劑并施以高壓,下列有關敘述正確的是(　　)
A.都能提高反應速率,都對化學平衡狀態無影響
B.都對化學平衡狀態有影響,都不影響達到平衡狀態所用的時間
C.都能縮短達到平衡狀態所用的時間,只有壓強對化學平衡狀態有影響
D.催化劑能縮短反應達到平衡狀態所用的時間,而壓強無此作用
【解析】對化學反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),催化劑只能提高反應速率,使反應達到平衡狀態所用的時間縮短,不能使化學平衡發生移動。高壓能提高反應速率,使反應達到平衡狀態所用的時間縮短,也能使化學平衡向生成NH3的方向移動。
【答案】C
2.在一定條件下,可逆反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0達到平衡,當單獨改變下列條件后,有關敘述錯誤的是(　　)
A.加催化劑,v正、v逆都發生變化,且變化的倍數相等
B.加入氬氣,v正、v逆都增大,且v正增大的倍數大于v逆增大的倍數
C.加壓,v正、v逆都增大,且v正增大的倍數大于v逆增大的倍數
D.降溫,v正、v逆都減小,且v正減小的程度小于v逆減小的程度
【解析】使用催化劑,平衡不移動,v正、v逆同等倍數增大,A項正確;若在恒容條件下加入氬氣,反應體系中各物質的濃度不變,v正、v逆均不變,若在恒壓條件下加入氬氣,反應體系中各物質的濃度均減小,平衡左移,v正、v逆均減小,且v正減小的程度大于v逆減小的程度,B項錯誤;加壓,平衡右移,v正、v逆都增大,且v正增大的倍數大于v逆增大的倍數,C項正確;降溫,平衡右移,v正、v逆都減小,且v正減小的程度小于v逆減小的程度,D項正確。
【答案】B
3.下列有關工業生產的敘述正確的是(　　)
A.合成氨生產過程中將NH3液化分離,可加快正逆反應速率,提高N2、H2的轉化率
B.硫酸廠靠近原料產地比靠近硫酸消費中心更為有利
C.2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)為氣體分子數減少的反應,故硫酸生產中常采用高壓條件提高SO2的轉化率
D.充分利用硫酸廠生產過程中產生的“廢熱”,可使硫酸廠向外界輸出大量的能量
【解析】從原理上講,合成氨時將氨液化使正逆反應速率都減小,A項錯誤;廠址的選擇要綜合考慮,B項錯誤;對于二氧化硫與氧氣催化氧化為三氧化硫的反應,在常壓下二氧化硫的轉化率已相當高,不用再提高成本采取高壓,C項錯誤;工業生產中要充分合理地利用能源,D項正確。
【答案】D
4.合成氨工業對化學工業和國防工業具有重要意義。工業合成氨生產過程如圖所示。
(1)X的化學式為　　　　。
(2)圖中條件選定的主要原因是　　　　(填字母)。
A.溫度、壓強對化學平衡的影響
B.鐵觸媒在該溫度時活性大
C.工業生產受動力、材料、設備等條件的限制
(3)改變反應條件,會使平衡發生移動。下圖表示隨條件改變,平衡混合物中氨氣的百分含量的變化趨勢。
當橫坐標為壓強時,變化趨勢正確的是　　　　,當橫坐標為溫度時,變化趨勢正確的是　　　　。(填字母)
【解析】(1)原料氣N2和H2在一定條件下反應,生成的NH3(X)冷卻后從設備中分離出來,同時尾氣中含有的N2(Y)和H2(Y)進行循環利用。(2)溫度選擇在500 ℃并不是從化學平衡的影響分析的,而是因為催化劑在此溫度時活性大,而且還可以適當提高化學反應速率,壓強選擇1.3×107~3×107 Pa是從化學平衡理論分析的,壓強越大,越有利于平衡向生成NH3的方向移動,但不能過大,因為壓強過大,對設備、材料的要求高,投資大,這樣就不經濟了。
【答案】(1)NH3　(2)BC　(3)c　a
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