第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨1.对于合成氨的反应,使用催化剂和施加高压,下列叙述中,正确的是(C)A.都能提高反应速率,都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态所用的时间,只有压强对化学平衡状态有影响D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而压强无此作用解析:使用催化剂是为了提高反应速率,施加高压既可以提高反应速率,也有利于平衡向正反应方向进行。2.有平衡体系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH0,为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采用的正确措施是(B)A.高温、高压B.适宜温度、高压、催化剂C.低温、低压D.高温、高压、催化剂解析:该反应是一个正向放热、气体体积减小的反应,为增加甲醇的产量,需平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。3.下面是合成氨的简要流程示意图:沿x路线回去的物质是(A)A.N2和H2B.催化剂C.NH3D.H2解析:反应混合气经过合成塔发生反应:N2+3H22NH3,成分变为N2、H2、NH3的混合气体,经冷凝,NH3液化,N2、H2沸点很低,未液化,故再送入压缩机,循环使用,提高原料利用率。4.在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5,它在400℃～500℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%):压强转化率温度1×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.5%99.2%99.6%99.7%550℃85.6%94.9%97.7%98.3%(1)根据化学理论综合分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,可控制的条件是。(2)实际生产中,选定400℃～500℃作为操作温度,其原因是。(3)实际生产中,采用的压强为常压,其原因是。(4)在生产中,通入过量空气的目的是。(5)尾气中有SO2,必须回收是为了。解析:从提高反应速率考虑,合成SO3需要加入催化剂和升温、加压;从增大反应物的转化率方面考虑,合成SO3需低温、加压、通入空气;从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑,选择最适宜条件。答案:(1)常压、450℃、催化剂(2)在此温度下催化剂的活性最高(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%),若采用高压,平衡能向右移动,但效果并不明显,增加成本(4)增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率(5)防止污染环境科海泛舟(对应学生用书第39页)恶魔与天使在化学发展史上,有一位化学家,曾给世人留下过关于他的功过是非的激烈争论。他就是德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯(FritzHaber)。一方面哈伯发明的合成氨使人类解决了人口增长带来的粮食危机,他是生命的天使;另一方面合成氨的发明,使硝酸的生产更简单,人们可以更快速大量地制造炸药,在战场上死亡的人数较冷兵器时代和简单火器时期大大上升,从此角度看他成了扼杀人类生命的恶魔。1868年12月9日,哈伯出生于西里西亚的布雷斯劳(现为波兰的弗罗茨瓦夫)。他天资聪颖,好学、好问、好动手,小小年纪就掌握了不少化学知识。他曾先后到柏林、海德堡、苏黎世求学,做过著名化学家霍夫曼和本生的学生。大学毕业后在耶拿大学一度从事有机化学研究,撰写过轰动化学界的论文。哈伯19岁就被德国皇家工业大学破格授予博士学位,1896年在卡尔斯鲁厄工业大学任讲师,1906年任物理化学和电化学教授。哈伯在历经无数次失败后,终于在采用600℃、200个大气压和用金属铁做催化剂的条件下,人工固氮成功。平衡后氨的浓度达到6%,首次取得突破。此后哈伯提出了原料气循环使用的合理建议,工业化学家博施也解决了从水煤气中获得氢气的问题。1913年巴登公司在德国奥堡建成世界第一座日产30吨合成氨的工厂。人称这种合成氨方法为“哈伯—博施法”,这是具有世界意义的人工固氮技术的重大成就,是化工生产实现高温、高压、催化反应的第一个里程碑。