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(共44张PPT)
第2章　化学反应的方向、限度与速率
第4节　化学反应条件的优化
——工业合成氨
合成氨反应的限度与速率
1.原理：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。
2.反应特点：气体体积缩小的放热的可逆反应。
3.原理分析
对合成氨反应的影响 影响因素
浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨反应的速率 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用
提高平衡混合物中氨的含量 增大反应物浓度 降低温度 增大压强 无影响
工业合成氨条件的选择
1.根据速率理论和平衡理论选择反应条件
(1)压强
①理论上，压强越大越好。
②目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10 MPa～30 MPa。
③不采用高压的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
(2)温度
①根据勒·夏特列原理，采用低温有利于提高平衡转化率。
②目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。铁触媒在500 ℃左右时的活性最大也是选择该温度的理由。
(3)催化剂
①在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。
②使用催化剂可改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时也能较快地进行反应。
③目前普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
④原料气必须经过净化，目的是防止混有的杂质使催化剂“中毒”。
(4)浓度
①在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。
②实际生产中采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，使平衡向生成NH3的方向移动；将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
2.合成氨生产流程示意图
3.选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素。
(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
(3)考虑设备条件、安全操作、经济成本等。
(4)考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
选择化工生产适宜条件的分析角度与原则要求
分析角度 原则要求
从化学反应速率的角度分析 既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动的角度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率的角度分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力的角度分析 如设备承受高温、高压的能力等
从催化剂的使用活性的角度分析 注意温度对催化剂活性的限制
BC　
低温　减小
该反应为气体分子数减少的反应，ΔH＜0、ΔS＜0，ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，反应可自发进行，则该反应的正反应在低温条件下可自发进行；由于ΔH＜0，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数K减小。
解答此类题目的思维流程
提取
关键点 (1)有利于提高反应速率；
(2)有利于提高平衡转化率；
(3)需要不断分离出氨的原因
转化
知识点 (1)化学反应进行方向的判断；
(2)影响化学反应速率和影响化学平衡的因素；
(3)催化剂活性与温度的关系
排除
障碍点 解决化学反应的调控问题时，应从速率和平衡两个角度综合考虑影响因素
用图像分析浓度、压强、温度、催化剂对化学平衡移动的影响
1.用v－t图像分析浓度对化学平衡移动的影响
反应
浓度变化 增大反应物浓度 减小反应物浓度 增大生成物浓度 减小生成物浓度
速率变化 v正增大，而v逆不变，则v'正＞v'逆 v正减小，而v逆不变，则v'逆＞v'正 v逆增大，而v正不变，则v'逆＞v'正 v逆减小，而v正不变，则v'正＞v'逆
反应
平衡移动方向 正反应方向 逆反应方向 逆反应方向 正反应方向
v－t图像
规律 在其他条件不变的情况下，增大反应物浓度(或减小生成物浓度)，平衡向正反应方向移动；减小反应物浓度(或增大生成物浓度)，平衡向逆反应方向移动
2.用v－t图像分析压强对化学平衡移动的影响
反应 压强改变 速率变化 平衡移动方向 v－t图像
加压 v正、v逆同时增大，v'正＞v'逆 正反应方向
减压 v正、v逆同时减小，v'正＜v'逆 逆反应方向
反应 压强改变 速率变化 平衡移动方向 v－t图像
加压 v正、v逆同时增大，v'正＜v'逆 逆反应方向
减压 v正、v逆同时减小，v'正＞v'逆 正反应向
反应 压强改变 速率变化 平衡移动方向 v－t图像
加压 v正、v逆同等程度
增大，最终仍相等，v'正＝v'逆 不移动
减压 v正、v逆同等程度
减小，最终仍相等，v'正＝v'逆 不移动
规律 在其他条件不变的情况下，增大压强，化学平衡向气体体积减小的方向移动；减小压强，化学平衡向气体体积增大的方向移动
3.用v－t图像分析温度对化学平衡移动的影响
反应
改变温度 升温 降温 升温 降温
速率变化 v正、v逆同时增大，
v'正＞v'逆 v正、v逆同时减小，v'正＜v'逆 v正、v逆同时增大，v'正＜v'逆 v正、v逆同时减小，
v'正＞v'逆
平衡移动方向 正反应方向 逆反应方向 逆反应方向 正反应方向
v－t
图像
规律 在其他条件不变的情况下，升高温度，平衡向吸热反应方向移动；降低温度，平衡向放热反应方向移动
4.催化剂对化学平衡移动的影响
(1)加入正催化剂，v－t图像如图1。
(2)使用催化剂与不使用催化剂，α(A)－t图像如图2(a表示无催化剂时A的转化率随时间的变化，b表示有催化剂时A的转化率随时间的变化)。
5.用速率分析化学平衡移动的一般思路
B
t4～t5时，正、逆反应速率均增大，且平衡逆向移动，该反应为放热反应，故t4改变的原因可能是升高温度，A正确；O～t1、t2～t3时刻平衡均正向移动，t4时平衡开始逆向移动，而CO2为生成物，故CO2含量最高的时间段是t3～t4，B错误；t2～t3正、逆反应速率均增大，且平衡正向移动，t2时刻v逆未突变，故引起变化的原因可能是增加反应物浓度，C正确；t6时刻反应速率增大，平衡不移动，故引起变化的原因可能是加入催化剂，D正确。
根据速率—时间图中瞬间时刻，v正、v逆的变化情况，确定外界条件的变化。一般情况：
瞬间时刻，v正、v逆的变化情况 外界条件
一增、一不变 改变某物质的浓度
v正、v逆都改变，且改变幅度不一样 压强变化，气体系数大，影响大；温度变化，吸热方向影响大
v正、v逆都改变，且改变幅度一样 气体分子数不变的反应，压强变化；加入催化剂
化学反应历程与能量变化的图像分析
1.能量—历程图像
(1)无催化剂时，E1为正反应的活化能，E2为逆反应的活化能，E1－E2为此反应的焓变(ΔH)。
(2)有催化剂时，总反应分成了两个反应步骤，反应①为吸热反应，产物为总反应的中间产物，反应②为放热反应，总反应为放热反应。
(3)催化剂的作用：降低E1、E2，但不影响ΔH，反应是放热反应还是吸热反应取决于起点(反应物)能量和终点(生成物)能量的相对大小。
2.“环式”反应过程图像
　　对于“环式”反应过程图像，位于“环上”的物质一般是催化剂或中间体，如⑤⑥⑦和⑧，“入环”的物质为反应物，如①和④，“出环”的物质为生成物，如②③。
(1)水煤气变换反应的ΔH　　　　(填“＞”或“＜”，下同)0，物质在催化剂表面的解吸过程ΔH　　　　0。
＜　＞
本题以反应CO(g)＋H2O(g) === CO2(g)＋H2(g)为素材，呈现物质变化与能量变化图像，考查对反应历程的理解和对活化能的认知。(1)由图可知，解吸时能量升高，是吸热过程，ΔH＞0；生成物总能量低于反应物总能量，总反应是放热反应，ΔH＜0。
(2)过渡态1和过渡态2中，相对较稳定的是　　　　；历经过渡态1和过渡态2的两步反应，反应速率较快的是　　　　。
过渡态1　过渡态1
本题以反应CO(g)＋H2O(g) === CO2(g)＋H2(g)为素材，呈现物质变化与能量变化图像，考查对反应历程的理解和对活化能的认知。(2)过渡态1的能量低，相对稳定；历经过渡态1和过渡态2的两步反应的活化能分别为[1.59－(－0.32)]eV＝1.91 eV和[1.86－(－0.16)]eV＝2.02 eV，所以前者反应速率比后者快。
活化能低，反应速率快。
(3)该历程中最大能垒(活化能)E正＝　　　　。
2.02 eV
本题以反应CO(g)＋H2O(g) === CO2(g)＋H2(g)为素材，呈现物质变化与能量变化图像，考查对反应历程的理解和对活化能的认知。(3)由图知，该历程中的最大能垒为过渡态2的正反应的活化能，为2.02 eV。
三步突破能量变化能垒图
通览全图，厘清坐标含义 能量变化能垒图的横坐标一般表示反应的历程，横坐标的不同阶段表示一个完整反应的不同阶段。纵坐标表示能量的变化，不同阶段的最大能垒即该反应的活化能
细看变化，分析各段反应 仔细观察曲线的变化趋势，分析每一阶段发生的反应是什么，各段反应放热还是吸热，能量升高的为吸热，能量下降的为放热
综合分析，作出合理判断 如利用盖斯定律将各步反应相加，即得到完整反应；催化剂只改变反应的活化能，但不改变反应的反应热，也不会改变反应的转化率
“图像”型的解题策略
1.审题
(1)阅读题干文字部分内容，明确图像要呈现的内容是关于什么反应、在什么条件下、哪个反应阶段(从开始到结束，或相同时段内，或平衡时)、什么物质的什么量(y)随什么量(x)变化的情况。
(2)看清图像的横坐标和纵坐标(注意单位及数量级)，当有两套横坐标或纵坐标、多条曲线时，认清各曲线对应的是哪一套坐标系；当有一套坐标系、多条曲线时，搞清楚各曲线所对应的物质或因变量。
2.分析
(1)根据图像的文字说明及坐标系的化学含义，确定图像的类型(速率图像、平衡图像、既有速率又有平衡、是否平衡不确定)。
(2)搞清楚曲线的起点、拐点、终点或两曲线的交点所表示的化学含义。
(3)搞清楚曲线的变化趋势所表示的化学含义。
①横坐标为时间t、纵坐标为n或c或α(转化率)的图像，通常曲线的“斜率”大小表示化学反应速率的快慢，“平台”高度的变化表示化学平衡状态的移动方向。
②横坐标为T或p，纵坐标为平衡状态的某个量，曲线的变化趋势表示平衡的移动方向。
③横坐标为T或p，纵坐标为相同时间段内的某个量，曲线有两种不同的变化趋势，则通常第一个变化趋势表示速率的变化，第二个变化趋势表示平衡的移动(横坐标为T时，可能是因为T过高，催化剂活性降低，或发生副反应)。
3.答题
(1)精读选项，确定问题属性。
(2)“先证据，再理论”。
(3)分析过程：逆向思维＋逻辑推理。
(4)答案呈现：题给证据(信息)＋对应理论分析。
D
化学平衡图像题的解题流程

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