高中化学 2.4化学反应条件的优化 工业合成氨课件 鲁科版选修4

二、合成氨反应的速率 1． 增大 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． 升高 温度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，加快
化学反应的速率。
三、合成氨的适宜条件 1．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 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。
3．(填一填)在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气 体，并加入适当的催化剂，在673 K时分别建立平衡，四 种情况下H2的转化率由大到小的顺序是________。 ①1 mol N2＋3 mol H2 ②2 mol N2＋3 mol H2 ③1 mol N2＋4 mol H2 ④1 mol N2＋4 mol H2＋ 0.5 mol NH3
答案 B 解析 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。
2．(填一填) 合成氨反应为：N2(g)＋3H2(g)高催温化、剂高压2NH3(g)， ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。K＝6.6×105( mol·L－1)－2 (1) 从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用 催化剂的原因是为了加快化学反应速率，提高单位时间的产 量。
(4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率， 而实际采用的最高压强为8.5×107～1×108Pa，不采用更高 的压强，其原因是：实际生产中，应根据反应设备可使用的 钢材质量及综合指标来选择压强。采用更高的压强，对设备 和材料的要求越高，需要的动力越大，会增加投资和能量消 耗，不经济。
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，选出适宜的外界条件。
外界 有利于加快反 有利于平衡移动 条件 应速率的控制 条件的控制
综合分析结果
增大反应物浓 增大反应物浓度、不断补充反应物、及
浓度
度
减小生成物浓度 时分离出生成物
(2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用 700 K，不采用低温操作的理由是温度低时反应速率小，单 位时间内NH3的产量低。 (3)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因是温度升 高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小， 单位时间内NH3的产量低。并且在此温度时，催化剂的活性 最大。
答案 B 解析 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。
【例 2】 在硫酸工业中，通过下列反应使 SO2 氧化成 SO3： 2SO2(g)＋O2(g)催△化剂2SO3 (g) ΔH＝－198 kJ·mol－1。 下表为不同温度和压强下 SO2 的转化率(%)
高温、高压 催化剂
2NH3(g)，ΔH < 0, ΔS < 0。
2．合成氨反应的特点
(1)能自发进行。 (2)正反应是 放 热反应。 (3)正反应是气体物质的量 减小 的反应。
(4)可逆反应。 3． 降低 温度、 增大 压强有利于化学平衡向生成NH3的
方向移动；在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积 比为 1∶2.8 时，平衡混合物中NH3的含量最高。
高压(有气体参 压强
加)
ΔV<0 ΔV>0
设备条件允许的前提 高压
下，尽量采取高压 兼顾速率和平衡、选 低压 取适宜的压强
温度
高温
兼顾速率和平衡、考虑催化 ΔH<0 低温
剂的适宜温度 在设备条件允许的前提下， ΔH>0 高温 尽量采取高温并选取催化剂
加合适的 催化剂
催化剂
无影响
加合适的催化剂，考虑催化 剂活性与温度关系
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件 中低压压 高压
1×107Pa 2×107Pa～3×107Pa 8.5×107Pa～1×108Pa
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： 700 K 左右。 ②理论依据：该温度下催化剂的活性 最强 ，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 为主的多成分催化剂。
答案 ②＞①＞③＞④
解析 ②是在①中增加N2，故H2的转化率增大，即②＞①。 ③是在①中增加H2，故H2的转化率减小，即①＞③。而④是 在③基础上增加氨，平衡向逆反应方向移动，H2的转化率变 小，有③＞④。由此可知H2的转化率由大到小的顺序为②＞ ①＞③＞④。
工业生产中选择适宜生产条件的思路 1．分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的
(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理论依据：适当提高 N2 的浓度，来提高H2的转化率。 (5)其他 为了提高原料的 利用率 ，未反应的N2和H2循环使用并及时Fra bibliotek补充N2和H2。
1．(选一选) 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
[关键提醒] 对化工生产中的化学反应条件进行优化选择时， 要运用反应速率与化学平衡移动原理，同时考虑生产中的设 备材料、动力要求、催化剂等因素。
【例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
高中化学·选修4·鲁科版
第4节 化学反应条件的优化 ——工业合成氨
[目标导航] 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
N2(g)
＋
3H2(g)