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2013-2014学年高中化学选修四第三单元 化学平衡移动的应用


第二课时 化学平衡移动的应用

[情景导入]
用 N2 和 H2 为原料实现合成氨的工业化生产 曾是一个很艰巨的课题。 从第一次实验室研制到 工业化生产,经历了从 18 世纪末到 20 世纪初一 百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催 化剂等基础理论的发展,高温、高压等工业技术 条件的改善,以及许多研究工作者的反复试验, 德国化学家哈伯科学地创

造适宜的条件调控合 成氨的反应,终于在 1913 年实现了合成氨的工业

化生产,满足了 20 世纪世界人口由 30 亿增至 60 亿对粮食的需求,因此人们赞扬哈伯是用空气制 造面包的圣人。

根据合成氨反应原理:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) Δ H=-92.4 kJ·mol ,分析外界条件对合成 氨反应平衡的影响。
-1

课前预习 课堂探究

栏 目 导 航

1.影响化学平衡的外界条件有温度、 浓度和 压强。 2.N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)反应的特点: Δ H<0,Δ S<0,气体体积减小的可逆反应。

1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对 合成氨反应的影响。 2.了解合成氨生产的主要流程。 3.了解工业生产条件选择的依据和原则。 4.知道化学反应速率和化学平衡的调控在 生活、生产和科学研究领域中的重要作用。

化学平衡移动原理(勒夏特列 原理)
内容:改变影响平衡的一个条件(如浓度、温度 或压强等),平衡就向着能够减弱这种改变的方 向移动。

①研究对象一定是处于平衡 状态的可逆反应。 ②只适用于改变影响平衡的一个条件。 ③平衡的移动结果只能“减弱”而不能“消 除”这种改变。

【思考 1】 如果改变影响平衡的一个条件(浓 度、温度、压强),平衡一定会发生移动的是哪 个条件? 答案:改变温度,对一个可逆反应来说一定会 发生移动,因为一个可逆反应不是放热一定就 是吸热的。而改变浓度或压强平衡不一定发生 移动,例如等体积反应中,压缩体积,压强增大, 反应物、生成物的浓度都增大,平衡不移动。

平衡移动原理的应用——工 业合成氨条件的选择
1.反应速率

2.反应转化率

3.合成氨的适宜条件
催 压强 反 应 条 件 1.3×10 ~ 3×10 Pa
7 7

温度

化 剂

浓度 使气态 NH3 变成 液态 NH3 并及时 从平衡混合物 中分离出去,及 时补充 N2 和 H2

500 ℃ 左右

铁 触 媒

【思考 2】 增大压强既能提高合成氨的反应 速率,又会提高合成氨的转化率,为什么在实 际生产中不能无限制地增大压强呢? 答案:增大压强,虽然能提高化学反应速率和 转化率,但压强越大,对设备的要求也越高,需 要的动力也越大。对材料、设备要求条件高。

1.(2012 江西德兴一中等四校高二期中)下 列事实,不能用勒夏特列原理解释的是 ( B ) HCl+HClO 加入 A.氯水中有平衡:Cl2+H2O AgNO3 溶液后,溶液颜色变浅 B.对 CO(g)+NO2(g) CO2(g)+NO(g)平衡体 系增大压强可使颜色变深

C.升高温度能够增大硝酸钾在水中的溶解度 D.合成 NH3 反应,为提高 NH3 的产率,理论上应 采取相对较低温度的措施 指津:B 项中增大体系中压强,平衡不移动,但 NO2 的浓度增大,颜色加深。

2.对于合成氨的反应来说,使用催化剂和施以 高压对化学平衡的影响,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

指津:对于化学反应 N2(g)+3H2(g)

2NH3(g),

催化剂只能提高反应速率,使反应达到平衡状 态所用的时间缩短,不能使化学平衡发生移 动。高压能提高反应速率,使反应达到平衡状 态所用的时间缩短,也能使化学平衡向生成 NH3 的反应方向移动。

3.工业上用氮气和氢气合成氨:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)Δ H<0,从反应速率和化学平衡两方面看,合 成氨的适宜条件一般为压强:20~50 MPa,温度: 500 ℃左右,催化剂:铁触媒。下列有关合成氨工业 的叙述中不正确的是( D ) A.使用铁触媒,可使氮气和氢气混合气之间的反应 在较低温度下有较高的反应速率 B.若 2v 正(N2)=v 逆(NH3),说明反应已平衡 C.上述化学平衡受到温度、反应物的浓度、压强等 因素的影响 D.温度升高有利于提高反应速率,也有利于提高氨 的产率

指津:升温反应速率加快,但平衡逆向移动, 不利于氨的合成,产率降低;使用催化剂可 加快反应速率;v 正(NH3)=2v 逆(N2),即 v 正 (NH3)=v 逆(NH3),反应达平衡状态;该平衡受 温度、浓度、压强的影响。

勒夏特列原理
【问题导引】 1.如何理解勒夏特列原理中“减弱这种 改变”? 2.勒夏特列原理的适用条件是什么?

【疑难剖析】 浓度、压强和温度等对化学平衡的影响可以概括 为化学平衡移动原理(也叫勒夏特列原理):改变 影响化学平衡的一个因素(浓度、压强或温度等), 平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。 1.对勒夏特列原理中“减弱这种改变”的正确理 解是:增加反应物的浓度时,平衡将向反应物的 浓度减小的方向移动;增大压强时,平衡将向气 体体积缩小的方向移动;升高温度时,平衡将向 吸热反应的方向移动。

勒夏特列原理中的“减弱”不等于“消除”,更 不是“超越”,具体可理解如下: (1)若将体系温度从 50 ℃升高到 80 ℃,则化学 平衡向吸热反应方向移动,达到新的平衡状态 时 50 ℃<t<80 ℃。 (2)若对体系 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)加压,例 如从 30 MPa 加压到 60 MPa,化学平衡向气体体 积减小的方向移动,达到新的平衡状态时 30 MPa<p<60 MPa。

(3)若增大平衡体系 Fe +3SCN
3+ -1

3+

-1

Fe(SCN)3 中

Fe 的浓度,例如由 0.01 mol·L 增至 0.02 mol·L ,平衡正向移动,则在新平衡状态 下,0.01 mol·L <c(Fe )<0.02 mol·L 。
-1 3+ -1

2.勒夏特列原理仅适用于已达平衡的反应 体系,对不可逆过程或未达平衡的可逆过程 均不能使用勒夏特列原理。 此外勒夏特列原 理对所有的动态平衡(如溶解平衡、电离平 衡、水解平衡等)都适用。

(1)勒夏特列原理不能解释 “使用催化剂不能使化学平衡发生移动”; (2)勒夏特列原理不能解释“反应前后气体体 积不变的可逆反应,改变压强可以改变化学反 应速率,但不能使化学平衡发生移动”。

【例 1】
(2012 福建师大附中高二期中)下列事实可以 用勒夏特列原理解释的是( ) A.新制的氯水在光照条件下颜色变浅 B.使用催化剂,提高合成氨的产量 C.高锰酸钾(KMnO4)溶液加水稀释后颜色变浅 D.H2、I2、HI 平衡混合气体加压后颜色变深

解析:新制氯水中存在平衡:Cl2+H2O +HClO,光照下 HClO 会发生分解 2HClO

HCl

2HCl+O2↑,使上述平衡右移;催化剂只能提高反 应速率,不能使平衡发生移动;高锰酸钾溶液加 水稀释后颜色变浅,是由于浓度减小;H2、I2、HI 反应前后气体的体积不变,平衡混合气体加压 平衡不移动,颜色加深是由于 I2 的浓度增大。 答案:A。

【活学活用】
1.下列事实不能用化学平衡移动原理解释的 是( B ) A.光照新制的氯水时,溶液的 pH 逐渐减小 B.加催化剂,使 N2 和 H2 在一定条件下转化为 NH3 C.可用浓氨水和氢氧化钠固体快速制取氨气 D.增大压强,有利于 SO2 与 O2 反应生成 SO3

解析:能否用化学平衡移动原理来解释,需 要从两个方面考虑:①存在平衡体系;②条 件的改变影响到平衡的移动。A 中存在平衡 体系 Cl2+H2O 2HClO HCl+HClO,光照的条件下
+

2HCl+O2↑,所以 c(HClO)减小导 2NH3,但是

致上述平衡正向移动,溶液中 c(H )增大,pH 减小;B 中虽然有平衡:N2+3H2 催化剂对该平衡无影响,所以不能用勒夏特 列原理来解释;C 中的平衡体系为

NH3+H2O

NH3·H2O

NH +OH ,加入固
-

? 4

-

体 NaOH 后①增大了 c(OH ),②溶解放热, 使温度升高,NH3 逸出使上述平衡逆向移动, 从而快速制取 NH3;D 中平衡为:2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g),增大压强平衡正向移 动,有利于生成 SO3。

2.下列事实不能用勒夏特列原理解释的是 ( B ) A.实验室可以用排饱和食盐水的方法收集氯气 B.将铜粉和锌粉混合后放入稀硫酸中,产生气体 的速率比不加铜粉快 C.高压有利于工业上合成氨 D.打开汽水瓶时,瓶中立即泛起大量泡沫 解析:铜粉和锌、稀硫酸构成原电池加快反应 速率。

合成氨条件的选择
【问题导引】 1.合成氨反应有哪些特点? 2.如何选择合成氨的适宜条件?

【疑难剖析】 1.合成氨反应的特点 合成氨反应是一个可逆反 应:N2(g)+3H2(g)
-1

2NH3(g)。已知 298 K 时,Δ

H=-92.4 kJ·mol 。 合成氨的反应特点:①所有的反应物和生成物都 呈气态,且该反应为可逆反应;②该反应是气体 的物质的量减少的熵减反应;③该反应的正反应 为放热反应。

2.浓度对反应限度的影响 增大 N2、H2 的浓度,平衡会正向移动,由于 H2 的 来源不如 N2 的来源广泛,工业上一般选择用稍 过量的 N2,使合成氨向正反应方向进行。 减小 NH3 的浓度,会使平衡正向移动,工业上一 般把生成的氨气及时地从反应体系中分离出来, 使更多的反应物转化为产物。

3.合成氨的适宜条件
改变 条件 对化学反应 速率的影响 有利于增大 化学反应速 率 对平衡混合物 中 NH3 的含量的 影响 有利于提高平 衡时混合物中 NH3 的产量 不利于提高平 衡混合物中 NH3 的 含量 压强增大,有利于氨的合成,但需要 的动力大,对材料、 设备等的要求高, 因此,工业上一般采用 13~30 MPa 的 压强 温度升高,化学反应速率增大,但不 利于提高平衡时混合物中 NH3 的含 量,因此合成氨时温度要适宜,工业 上一般采用 500 ℃左右的温度(因该 温度时,催化剂的活性最大) 催化剂的使用不能使平衡发生移动, 没有影响 但能缩短反应达到平衡的时间,工业 上一般选用铁触媒做催化剂 合成氨条件的选择

增大 压强

升高 温度

有利于增大 化学反应速 率 有利于增大 化学反应速 率

使用 催化 剂

【例 2】
下列关于合成氨反应的叙述中,正确的是 ( ) A.铁做催化剂可加快反应速率,且有利于化学 平衡向合成氨的方向移动 B.将氨从混合气中分离,可加快反应速率,且有 利于化学平衡向合成氨的方向移动 C.升高温度可以加快反应速率,且有利于化学 平衡向合成氨的方向移动 D.增大压强可加快反应速率,且有利于化学平 衡向合成氨的方向移动

解题导引:

解析:催化剂不能使平衡发生移动,只能改变 反应速率;将氨从混合气体中分离出来,使平 衡右移,但不能加快反应速率;升高温度可以 加快反应速率,化学平衡逆向移动;压强增大, 加快反应速率,有利于平衡正向移动。 答案:D。

在处理工业生产中选择条 件的相关问题时,要综合考虑外界条件对 化学反应速率和化学平衡的影响,同时还 要注意与工业生产实际结合在一起进行综 合分析与思考。从理论上说,一是要提高单 位时间内产量,二是要提高原料的转化率, 也就是尽量提高产品在平衡混合物中的百 分含量,提高经济效益。在实际生产中,还

要考虑原料的来源、储量、运输、生产设 备、反应条件等许多问题,反应条件的选择 要考虑实际与效益。

【活学活用】
3.在硫酸工业生产过程中,有反应 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)(正反应为放热 反应),根据下表所提供的不同压强下 SO2 的转化率(%)数据,试选择该反应的适宜条 件(V2O5 做催化剂)温度 。 ;压强

1× 压 10 强 Pa 温度 450 ℃ 500 ℃ 97.5 85.6 98.9 92.9 99.2 94.9 99.6 97.7 99.7 98.3
5

5× 10 Pa
5

10× 10 Pa
5

50× 10 Pa
5

100× 10 Pa
5

解析:该反应与合成氨反应相似,都是气体体积 减小的放热反应,温度升高有利于加快反应速 率,但降低了反应物的转化率,适宜条件的选择 需要综合考虑。 增大压强有利于加快反应速率, 同时也可以提高反应物的转化率,但压强对 SO2 的转化率影响不大。 答案:450 ℃ 1×10 Pa(常压)
5

4.合成氨的反应:N2(g)+3H2(g) 在一定条件下已达到平衡状态。 (1)此时 相等,

2NH3(g), 保持不变,而 平衡。

却仍在进行,因此化学平衡是

(2)若降低温度,会使上述化学平衡向生成氨 的方向移动,则正反应是 反应,生成

每摩尔氨的反应热是 46.1 kJ,则该反应的热 化学方程式为 。

(3)合成氨时,选择 500 ℃高温的目的 是 。

(4)若反应容器的体积不变,原反应温度不 变,而将平衡体系中的混合气体的浓度增 大 1 倍,则上述平衡向 移动。 移动;若在 平衡体系中加入氦气,则上述平衡

解析:解决此问题的关键是:(1)根据化学 平衡状态的定义及特点可知,反应达到平 衡状态时,正、逆反应速率相等,各反应物 和生成物的浓度保持不变,而正、逆反应却 仍在进行,因此化学平衡是动态平衡。(2) 由温度对化学平衡的影响可知,降低温度 使化学平衡向正反应方向移动,则正反应 一定是放热反应。由题意知,生成 2 mol 氨

的反应热是 46.1 kJ×2,即 92.2 kJ,则合 成氨反应的热化学方程式为 N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol 。
-1

(3)升高温度和加入催化剂都能加快反应 速率,但是工业上用的催化剂在该温度时 活性最大。 (4)若保持反应容器的体积和反 应温度不变,将平衡体系中的混合气体的

浓度增大 1 倍,其效果相当于增大体系的压 强,根据压强对化学平衡的影响,可判断上 述平衡应该向正反应方向移动。若在平衡 体系中加入氦气, 氦气不参与反应,由于 反应容器的体积和反应温度都不变,氦气 的加入只是增大了容器内总的压强,并未 改变反应体系中各成分的浓度,因此氦气 的加入对上述平衡没有影响即化学平衡不 移动。

答案:(1)正、逆反应速率 各反应物和生 成物的浓度 正、逆反应 动态 (2)放热 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
-1

Δ H=-92.2 kJ·mol 温度时活性最大 (4)正反应方向 不

(3)加快反应速率,工业上用的催化剂在该

[科海泛舟] 合成氨的铁催化剂及催化历程
负载于催化剂多孔载体表面的催化剂 为 FeO(29%~35%)和 Fe3O4(55%~65%)的混 合物经氢气还原后形成的活性铁微晶,载 体是多孔的固体,每克的表面积高达 100~ 1 000 m 。
2

催化剂的辅助成分为负载于催化剂多 孔载体表面的 Al2O3(2%~4%)、 MgO(3%~4%) 和 K2O(0.5%~0.8%)。Al2O3 和 MgO 是结构型 助剂,主要起骨架作用及增大催化剂表面、 防止铁微晶长大和烧结的作用。K2O 是电子 型助剂,帮助铁把电子传给氮,有利于氮的 吸附及活化。

工业上,氮气与氢气合成氨的反应是 在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的 过程,一般要经历反应物扩散至催化剂表 面、在催化剂表面被吸附、发生表面反应、 产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反 应区五个步骤。

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