第4節化學反應條件的優化 工業合成氨 1 認識合成氨的化學原理 2 應用化學平衡和化學反應速率的有關知識選擇合成氨的條件 3 了解合成氨生產的主要流程 4 了解工業條件選擇的依據和原則 一 合成氨反應的限度 1 自發性 常溫下能自發進行 2 可逆性 反應為可逆反應 3 體積變化 正反應是氣體體積的反應 4 焓變 減小 h 0 2 合成氨反應的限度 1 溫度 壓強將有利于化學平衡向生成氨的方向移動 2 在一定溫度 壓強下 反應物氮氣 氫氣的體積比為時平衡混合物中氨的含量最高 降低 增大 1 3 開放探究 1 合成氨工業生產中 為什么采用n2和h2物質的量之比為1 2 8的投料比 提示 由于氮氣在催化劑上的吸附為總反應中最難發生的步驟 即影響反應速率的關鍵步驟 當適當提高氮氣的比例 即n2和h2物質的量之比為1 2 8時更能加快合成氨反應的進行 二 合成氨反應的速率 三 合成氨的適宜條件1 合成氨反應條件的選擇原則 1 盡量增大反應物的 充分利用原料 2 選擇較快的 提高單位時間內的產量 3 考慮設備和技術條件 轉化率 反應速率 2 合成氨反應的適宜條件 1 壓強 適宜條件 理論依據 壓強越大 要求動力越大 對材料和設備的制造要求就越高 2 溫度 適宜條件 左右 理論依據 該溫度下催化劑的活性最高 反應速率比較快 氨的含量也相對較高 3 催化劑 適宜條件 以為主的多成分催化劑 又稱 理論依據 加快反應速率 700k 鐵觸媒 鐵 4 濃度 適宜條件 氮氣和氫氣按分壓比混合 理論依據 適當提高氮氣的分壓 來提高氫氣的轉化率 5 其他為了提高原料的 未反應的氮氣和氫氣 1 2 8 利用率 循環使用 開放探究 2 合成氨工業生產中 為什么采用未轉化的合成氣的循環使用 提示 合成氨反應中 如果讓n2和h2的混合氣體只通過一次合成塔起反應是很不經濟的 應將分離液氨后的未轉化的合成氣進行循環使用 并及時補充n2和h2 使反應物保持一定的濃度 有利于合成氨反應的進行 1 合成氨工業對國民經濟和社會發展具有重要的意義 原合成氨需要20mpa 700k 用鐵做催化劑 最近美國俄勒岡大學的化學家使用了一種名為trans fe dmeoprpe 2的催化劑 常溫下用n2和h2合成了氨 下列有關說法正確的是 a 原合成氨是吸熱反應 而新法合成氨為放熱反應b 新法合成比原合成節約能源 具有很好的發展前景c 新法能在常溫下進行是因為不需要破壞化學鍵d 加壓不利于新法合成氨 答案 b 2 從化學反應速率和化學平衡兩方面考慮 合成氨應采用的條件是 a 低溫 高壓 催化劑b 低溫 低壓 催化劑c 高溫 高壓 催化劑d 適當溫度 低壓 催化劑解析 根據合成氨反應的特點 外界條件對反應速率和化學平衡的影響及催化劑的活性進行選擇 答案 c 3 使一定量的氮氣 氫氣合成氨 施加催化劑和高壓的反應條件 下列敘述中正確的是 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 催化劑能縮短達到平衡狀態所用的時間 而壓強無此作用 解析 催化劑只能提高化學反應速率 縮短反應達到平衡狀態所用的時間 不能改變化學平衡狀態 對氮氣 氫氣合成氨的反應來說 加壓既能加快化學反應速率 又能使平衡狀態向生成氨的反應方向移動 加快了化學反應速率 必然縮短了反應達到平衡所用的時間 答案 c 化工生產選擇適宜條件的思路對于某一特定的實際反應 選取適宜的外界條件的基本思路如下 1 從可逆性 反應前后氣體系數的變化 焓變三個角度分析化學反應的特點 2 根據反應特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響 從速率和平衡的角度進行綜合分析 再充分考慮實際情況 選出適宜的外界條件 1 選取適宜的化工生產條件時 要運用反應速率和化學平衡移動原理 同時考慮化工生產中的動力 材料 設備 催化劑等因素的影響 綜合選取適宜條件 2 自然界中 生物固氮酶催化的作用 在常溫常壓下 將游離的n2轉化為化合態氮 因此防生固氮酶催化劑可大大提高n2轉化速率和效率 1 根據化學理論綜合分析 為了使二氧化硫盡可能轉化為三氧化硫 可控制的條件是 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 思路點撥 解答本題注意以下兩點 1 抓住本反應的反應特點 2 把外界條件對化學反應速率和化學平衡的影響和實際情況有機結合起來 從提高反應速率考慮 合成so3需要加入催化劑和升溫 加壓 從增大反應物的轉化率方面考慮 合成so3需低溫 加壓 通入廉價空氣 從表中數據和設備材料的要求以及催化劑的活性方面綜合考慮 選擇最適宜條件 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的轉化率就已經很高了 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 解析 該反應的特點是 正反應是一個氣體體積縮小的吸熱反應 根據化學反應速率要盡量大的原理 需要升高溫度 增大壓強 使用正催化劑 根據平衡移動原理 也是升高溫度 增大壓強 才有利于z的生成 答案 a 1 2011 龍巖高二質檢 合成氨工業中 常加熱到700k左右的溫度 理由是 適當提高合成氨的反應速率 提高氫氣轉化率 提高氨的產率 催化劑在700k時活性最大a b c d 解析 溫度對合成反應的限度和速率的影響不一致 一般采用700k左右的溫度 主要是因為催化劑在700k時活性最大 答案 d 2 2011 徐州高二質檢 合成氨反應的正反應是氣體體積減小的放熱反應 合成氨工業的生產流程如下 關于合成氨工業的說法中不正確的是 a 混合氣進行循環利用遵循綠色化學思想b 合成氨反應須在低溫下進行c 對原料氣進行壓縮是為了增大原料氣的轉化率d 使用催化劑可以提高反應的速率 但是不能使平衡向正反應方向移動答案 b 3 不能用化學平衡移動原理說明的事實是 a 合成氨在高壓下進行是有利的b 溫度過高對合成氨不利c 使用催化劑能使合成氨速率加快d 及時分離從合成塔中出來的混合氣 有利于合成氨解析 合成氨反應是放熱的 氣體體積減小的反應 高壓 及及分離氨有利于平衡右移 溫度升高會使平衡向左移 不利于氨的合成 使用催化劑能加快化學反應速率 但對化學平衡無影響 答案 c 4 根據合成氨反應的特點分析 當前最有前途的研究發展方向是 a 研制耐高壓的合成塔b 采用超大規模的工業生產c 研制耐低溫復合催化劑d 探索不用h2和n2合成氨的新途徑解析 在其他