(新课标)2015-2016学年高中化学-第二章-第4节-化学反应条件的优化-工业合成氨导学案-鲁科版选修4.doc

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第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

★【课前学案导学】

■精准定位——学习目标导航

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.了解合成氨生成的主要流程；

4.了解工业条件选择的依据和原则。

■自主梳理—基础知识导航

一、合成氨反应的限度

1.合成氨反应的化学方程式为：

N2（g）+3H2（g）2NH3（g），，结合勒夏特列原理可知，_________温度，___________压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

2.有关研究表明：

在一定的温度和压强中下，反应物中N2和H2的体积比为____________时平衡混合物中氨的含量最高。

二、合成氨反应的速率

1.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：

__________________________，由速率方程可知，________N2和H2的浓度（或分压），____________NH3的浓度（或分压），都有利于提高合成氨的速率。

2.温度升高时，k____________，因此升高温度有利于提高合成氨的速率。

3.加入适宜的催化剂能_______合成氨反应的活化能，使化学反应速率提高上万倍。

三、合成氨的适宜条件

1.增大__________浓度，及时将生成的_______分离出来；

2.温度为__________左右；

3.压强为_______________；

4._____________作催化剂。

外界条件

使NH3生产得快

使NH3生产得多

速率分析

平衡分析

压强

高压

高压

温度

高温

低温

催化剂

使用

无影响

反应物的浓度

增大浓度

增大浓度

生成物氨的浓度

减小浓度

减小浓度

★【课堂探究导学】

■合作探究-名师保驾护航

探究一：

合成氨的工业流程

『特别提醒』在制备原料时，要注意反应的可行性，同时要注意反应的速率和限度。

探究二：

氮的固定

将空气中游离态的氮转化为氮的混合物的过程叫氮的固定，主要的固氮方法：

1.生物固氮

一种主要的自然固氮反应。

如豆科植物在根瘤菌作用下直接吸收空气中的N2转化为氨等，进一步合成蛋白质。

2.自然固氮

如闪电产生的巨大电压，其电火花足可以破坏氮气分子的叁键，促使其与氧气反应生成NO，进而生成NO2和HNO3等。

3.化学固氮

如合成氨反应、放电条件下使氮气与氧气反应生成NO等。

4.人工模拟生物固氮

通过化学方法，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气在常温常压下与水及二氧化碳等反应，转化为硝态氮或铵态氮，进而实现人工合成大量的蛋白质等，最终实现工业化生产蛋白质食品。

『特别提醒』判断某过程是否为氮的固定时，可以通过看反应物中是否有N2分子，生成物中是否有氮的化合物，都符合的属于氮的固定。

探究二：

化工生产适宜条件的选择的一般原则

在化工生产中，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。

以上两点是选择反应条件的出发点，当两者发生矛盾时，要结合具体情况分析，找出最佳的反应条件。

1.对于任意可逆反应，增大反应物的浓度，能够提高反应速率和转化率，故生产中常使用廉价的、易得到的原料适当过量，以提高另一种原料的转化率，还要注意原料的循环利用。

2.对于气体体积减少的反应，增大压强使平衡向生成物方向移动，但增大压强，动力消耗增加，对设备要求高，使生产成本提高，故必须综合考虑。

3.对放热反应，升高温度可以提高反应速率，但转化率降低；若温度太低，则反应速率太慢，故一般要使用适当的催化剂，对于吸热反应，升高温度可以提高反应速率，转化率也增大；但是要避免反应物和生成物状态的变化及过热分解，所以应该选用适当的温度。

4.使用催化剂可以加快反应速率但不影响化学平衡移动，但使用时一要注意选择适当的温度（满足催化剂的活性温度），二是要防催化剂中毒，对原料进行净化。

『特别提醒』选择适宜的化工生产条件时，要运用化学反应速率和化学平衡移动原理，同时考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选择化工生产的适宜条件。

■典例剖析-名师释疑助航

例1.可逆反应3H2（g）+N2（g）2NH3（g）；△H＜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，降低压强，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

『答案』D

『解析』本题要求增加合成氨反应中氢气的转化率，就是在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，使更多的氢气转化为氨。

从化学平衡分析也就是向正反应方向移动。

先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的。

合成氨反应前后都是气体物质，反应前气体体积比反应后气体体积更大，所以增加压强会使平衡向着气体体积减小的方向进行，即向正反应方向移动，选项A是错误的，其他选项中增大压强是正确的。

有关浓度的影响，增加反应物浓度或减小生成物浓度，会使平衡向着正反应方向移动，在合成氨反应中即是增加氮气和减少（分离出）氨是正确的选项。

加入催化剂可加速反应的进行，但对平衡移动无影响，选项B是错误的。

所以只有选项D是正确的。

【变式训练1】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组合是（）

①高温　　②低温　　③低压　　④高压　　⑤催化剂　　⑥加氨　　⑦除氨

A.②④⑤B.②④⑦C.①④⑤D.②③⑥

【例2】在一定条件下，可逆反应N2＋3H22NH3ΔH<0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（）

A.加入催化剂，V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等

B.加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数

C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数大于V逆减少的倍数

D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数

『答案』CD

『解析』催化剂只是增大或减小反应速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会改变平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等。

加压，体系中各反应物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有利于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数大于V逆增大的倍数。

降温，反应速率全部下降，但有利于平衡向放热的方向移动，而本反应ΔH<0，所以V正减少的倍数小于V逆减少的倍数。

加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，所以V正、V逆不变或减小。

故C、D均不正确。

【变式训练2】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反应制得，其中一步反应为CO＋H2O（g）CO2＋H2　ΔH<0，欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，可以采取的措施是（）

A.增大水蒸气的浓度　　　B.升高温度　　　C.增大CO浓度　　　D.增大压强

【例3】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2.N2.NH3，开始时其物质的量之比为3：

1：

1，反应达平衡后，H2.N2.NH3的物质的量之比为9：

3：

4，则此时N2的转化率为（）

A.10%　　B.20%　　C.15%　D.30%

『答案』A

『解析』3H2＋N22NH3

起始量　　　３　　　１1　　　　

转化量　　3xx2x

平衡量　　３－３x1－x2x

（３－x）：

（1－x）：

2x＝9：

3：

4故x=0.1

所以N2的转化率为

【变式训练3】在一定条件下，2NH33H2＋N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（）

A.１：

１　　　　　　B.２：

３　　　　　C.３：

２　　　　　　D.２：

１

变式训练解析及答案

【变式训练1】

答案：

B

解析：

合成氨工业利用N2＋3H22NH3ΔH<0，因而可知升高温度有利于反应向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有利于反应向氨气生成的方向进行；加催化剂只会改变速率却无法改变转化率；减少生成物的浓度也有利于反应向氨气生成的方向进行。

故综上所述有②④⑦。

【变式训练2】

答案：

A

解析：

欲使CO的转化率提高，同时提高H2的产率，必然要求改变条件使平衡向正反应方向移动。

CO＋H2O（g）CO2＋H2　ΔH<0从中可知本反应为气体系数不变且正反应放热的反应，所以可以提高反应物水蒸气的浓度。

升高温度虽然可以提高反应速率，但会使平衡向左移，如果降低温度，可使平衡右移，却又会降低反应速率，但会符合题目要求，可惜无此选项。

增大CO浓度，虽可以提高H2的产率，但自身的转化率却会降低。

压强对气体系数不变的反应无影响。

【变式训练3】

答案：

B

解析：

2NH33H2＋N2

起始量　　x00

转化量　50%x0.75x0.25x

平衡量0.5x0.75x0.25x

反应前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反应后与反应前密度之比等于物质的量的反比，即为。

■备选例题

1.在密闭容器中进行如下反应已达到平衡，N2＋3H22NH3ΔH<0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则下列说法中正确的是（）

A.平衡不移动　　　　　　B.平衡向正方向移动　　

C.平衡向逆反应方向移动　　D.NH3的百分含量增加

答案：

BD

解析：

将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的２倍，则反应的速率增大，其他条件不变也就是说将气体进行压缩，容器体积减小，使平衡向气体系数减小的方向移动，故平衡向正方向移动。

进而使NH3的百分含量增加。

2．在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%，含H2的体积分数为78%，经过合成反应达到平衡后，在相同的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（）

A.12.5%B.11.4%C.10.5%D.9%

答案：

B

解析：

设原气体体积为V，则平衡后体积为V－0.95V

N2　　＋　　3H2　　　　2NH3ΔV

1322

转化中：

0.025V0.075V0.05VV－0.95V

所以N2的转化率为

3．工业合成氨反应是700K左右进行的，这主要原因是（）

A.700K时此反应速率最快　　　B.700K时氨的平衡浓度最大

C.700K时氨的转化率最高　　　D.700K该反应的催化剂能发挥最大的作用

答案：

D

解析：

温度越高反应速率越快，所以排除A选项；N2＋3H22NH3ΔH<0，所以温度越高氨的平衡浓度越大，转化率越高，所以排除B、C选项。

综合可得只有D选项最贴切。

■常用教学素材

非平衡态化学

长期以来，物理学家认为自发过程总是使体系趋于平衡。

有序原理是唯一的支持从无序列到有序的物理学原理，但当用这个有序原理来解释生物学现象时却碰到了很大麻烦。

按照几率观点，生物有序状态的形成是一种高度不可几的事件。

大家都知道，自然界中约有20种不同的氨基酸，一个蛋白质分子可以包括成千上万个氨基酸，这成千上万个氨基酸分子可以有许多种不同的排列方式，假定各种排列方式的出现几率是相等的，那么形成某种特定氨基酸排列方式的蛋白质分子的几率是极小的。

假如蛋白质分子中的氨基酸排列方式可以自动调整，若要得到一个具有特定结构的蛋白质分子，需要等待的时间长得不可想象。

比方说一个具有100个氨基酸的蛋白质分子，这些氨基酸分子中包括20个不同的种类，那么这100个氨基酸分子可有多达约10130种不同的排列方式。

假定蛋白质分子每秒可变换其氨基酸分子的排列方式有100万次（实际上显然不可能这么快）， 那么要形成一个特定结构的蛋白质分子， 需要等待长达10124秒，而根据目前资料表明地球的年龄才只有1017秒，因此上面的推理显然不正确。

这清楚地说明根本不可能用有序原理的几率概念来解释生物有序的现象。

实际上即使在无生命界也能发现许多自发形成的有序结构现象，比如天空中时而形成的鱼鳞状白云，一些岩石的规则花纹，松花蛋中的漂亮“松花”等等。

这些自组织现象显然是一种高度不可几事件，只能用非平衡原理来解释。

　　按照经典热力学的观点，非平衡只是一种暂时的现象，不可逆过程总是起一种耗散能量和破坏有序结构的作用。

为了描述实际体系和实际过程必须抛弃热力学方法而采用动力学的方法。

在某些条件下，体系通过和外界环境不断交换物质和能量以及通过内部的不可逆过程（能量耗散），无序态有可能失去稳定性，某些涨落可被放大而体系达到某种有序的状态，这种有序状态被称为耗散结构（Dissipative Structure），因为他们的形成需要能量的耗散。

　　耗散结构这一新概念的确立，使得人们对自然界的发展规律有了更完整的认识，它第一次使人们认识到非平衡态和不可逆过程也可以在建立有序方面起到积极的作用。

这不仅有利于人们认识自然界中的各种有序现象，也有利于去利用这些有序现象，因而它展示了广阔的应用前景。