上海高中化学第一轮复习 第09讲 化学平衡的应用与计算.docx
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上海高中化学第一轮复习第09讲化学平衡的应用与计算
2020年上海高中化学第一轮复习第09讲化学平衡的应用与计算
教学目标
1、掌握硫酸工业和合成氨工业的实验流程和注意事项
2、学会运用化学平衡的知识进行综合计算分析计算
知识梳理
一、工业制硫酸
五个三:
三种原料、三个反应、三个主要设备、适宜生产条件的三个问题、三个生产过程
1.三原料(硫铁矿或硫磺、空气、98.3%的浓H2SO4)
2.三反应
二氧化硫的制取和净化:
设备名称:
____________
方程式:
__________________________________
二氧化硫氧化成三氧化硫:
设备名称:
____________
方程式:
__________________________________
三氧化硫的吸收和硫酸的生成:
设备名称:
___________
方程式:
__________________________________
3.三设备装置图
沸腾炉(为使硫铁矿充分和迅速地燃烧,把硫铁矿粉碎成细小的矿粒后,放在特制的炉子里燃烧。
当燃烧的时候,从炉底通入强大的空气流,把矿粒吹得在炉内一定空间里剧烈沸腾,好像“沸腾的液体”一样,因此,此种炉子称沸腾炉);
接触室(把生成的SO2和O2混合气体加热到一定温度400~500℃,通入装有催化剂的接触室,因为催化剂又称触媒,所以该设备称接触室);
吸收塔(通过接触室出来的SO3直接送入吸收塔,以便形成硫酸。
SO3和H2O直接化合制得硫酸,但在吸收塔里不是直接用水来吸收SO3,因为用水作吸收剂时,容易形成酸雾并放出大量的热,吸收速度慢,不利于吸收SO3。
在吸收塔中,是用98.3%的浓硫酸来吸收SO3的)。
4.适宜生产条件的三个问题(速率,转化率)
①催化剂:
为了加快反应速率,工业上常选____________用作SO2氧化的催化剂。
②温度:
从反应速率要求看,反应温度必须较高,从化学平衡要求看,反应温度必须较低,结合催化剂的活性温度考虑,选择400℃~500℃作为SO2氧化的温度。
③压强:
从反应速率要求看,理想压强应该较高,从化学平衡要求看,理想压强也应较高,所以SO2氧化可以在压强很高的条件下进行。
但常压下SO2的转化率已经较高,加压增大投资和能量消耗,因此SO2的氧化选择在_________下进行。
5.三净化
炉气净化主要除去砷、硒等化合物和矿尘,以防止______________;即除尘和洗涤。
炉气干燥主要除去水蒸气,防止对设备的不良影响。
【答案】沸腾炉4FeS2+11O2
2Fe2O3+8SO2
接触室2SO2+O2
2SO3
吸收塔SO3+H2O→H2SO4
V2O5常压催化剂中毒
6.三注意:
【思考】铁矿在反应以前为什么要粉碎?
沸腾炉的目的?
【答案】粉碎,增大接触面积;沸腾炉,顾名思义,像使硫铁矿沸腾一样,也是增大接触面积。
通入强大的空气流来实现。
【思考】如何使生产又快又多?
从温度、压强、催化剂和反应物浓度上考虑。
【答案】前三者已叙述,反应物浓度上,采用增加空气量,从而增大廉价反应物浓度,提高贵重反应物的转化率。
【思考】在吸收塔中用的什么原料?
为什么?
【答案】98.3%的浓硫酸吸收SO3,这样能防止大量放热,形成酸雾。
7.能源节省
采用热交换器:
接触室中是放热反应,高温不利于SO3的吸收,高温也是不利于平衡正向移动,而SO2和O2在反应以前是要加热的,即预热处理,采用热交换器,能充分利用能源,并使反应更顺利进行。
【答案】氨水2NH3•H2O+SO2→(NH4)2SO3+H2O石灰乳
三阶段
SO2制取和净化
SO2转化为SO3
吸收SO3生成H2SO4
三方程
4FeS2+11O2
2Fe2O3
+8SO2
2SO2+O2
2SO3
SO2+H2O=H2SO4
实际是用浓H2SO4吸收
三设备
沸腾炉
接触室
吸收塔
相关
原理
平衡移动原理:
粉碎矿石,目的是扩大接触面。
鼓入足量空气,目的是使硫矿反应充分。
热交换原理和逆流原理:
目的是减少原料的损耗
逆流原理:
目的是使吸收作用更完全
说明
炉气三净化:
①矿尘(除尘)
②砷、硒化合物(洗涤)
③水蒸气(干燥)
净化的目的是除去杂质气体。
接触室内的压强为常压,原因是常压时转化率已经较高,而高压对装置要求高成本大。
用98.3%的浓硫酸_吸收SO3,目的是在吸收过程中不形成酸雾,吸收速度快且吸收充分。
余气可以循环利用。
尾气不能直接排入大气中,避免环境污染。
尾气
处理
氨吸收法:
2NH3+H2O+SO2→(NH4)2SO3
NH3+H2O+SO2→NH4HSO3
二、工业合成氨
1.原料:
N2来源于空气
氢气来源于水煤气
2.合成氨条件的选择
工业上用N2和H2合成氨:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)+Q
(1)适宜的压强:
为何强调适宜?
压强越大、有利于NH3的合成,但太大,所需动力大,材料强度高,设备制造要求高,成本提高,选择2×107-5×107Pa压强。
(2)适宜的温度:
温度越低越有利于NH3的合成,为何还要选择5000C高温?
因为温度越低,反应速率越小,达平衡时间长,单位时间产量低,另外5000C时,催化剂活性最大。
(3)使用催化剂
(4)及时分离出NH3,并不断补充N2和H2(N2要过量,提高成本较高的H2转化率)。
3.工业合成氨适宜条件的选择
在实际生产中,需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况,以确定最佳的生产条件。
4.设备:
合成塔
氨的分离:
通过冷凝器将氨液化,然后分离,分离得到的氨的混合气体循环利用
【思考】工业上合成氨的反应方程式为________________________;此反应的催化剂是________,
反应的温度为500℃的原因是__________________、__________________。
反应的压强为
1.5×107Pa的原因是__________________、__________________。
【答案】略;铁触媒;加快反应速率;提高催化剂能力;加快反应速率;平衡向正反应进行
三、化学平衡的计算
解化学平衡计算题的一般方法
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始量abcd
变化量mxnxpxqx
平衡量a-mxb-nxc+pxd+qx
三个关系:
①对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量
②对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量
③变化量之比等于各物质的计量数之比
这里a、b等可指:
物质的量、浓度、体积等。
A的转化率:
α(A)=(mx/a)×100%
典型例题
知识点1:
硫酸工业
【例1】以下是接触法制硫酸的简单流程图:
(1)写出设备1至4的名称:
设备1_____________设备2_______________设备3_____________设备4_______________
(2)设备1中发生反应的化学方程式是:
_________________________________________
(3)设备1中的气体需要净化后才能进入设备2,主要原因是防止_____________________
(4)尾气中含有污染环境的气体,不能直接排放。
工业上常用氨水吸收,再用硫酸处理,涉及的化学方程式是:
____________________________________;__________________________________
【难度】★★
【答案】
(1)沸腾炉,接触室,吸收塔,热交换器
(2)略(3)催化剂中毒(4)略
变式1:
硫酸被人们誉为“化学工业之母”,在国民生产中发挥着重要作用,硫酸的产量是衡量一个国家化学工业水平的标志。
工业上生产硫酸包括三步:
(1)第一步,在沸腾炉中煅烧黄铁矿,反应如下:
4FeS2+11O2
8SO2+2Fe2O3,该反应的氧化产物是_________________,当生成8molSO2时转移电子的物质的量为________________。
(2)第二步,在接触室中发生如下反应:
2SO2+O2
2SO3。
某科技小组的同学在一个恒温恒容的容器中模拟该反应,他们分两次进行实验,第一次向容器中加入2molSO2、1molO2,反应达平衡后测得SO2的转化率为α1,第二次向容器中加入3molSO2、1.5molO2,反应达平衡后测得SO2的转化率为α2,则α1_____α2(填“大于”、“等于”或“小于”)。
(3)第三步,在吸收塔中将SO3转化成硫酸。
硫酸是化学实验中的常用试剂:
浓硫酸可以与多种物质发生化学反应,试写出浓硫酸与铜发生反应的化学方程式________________________________________。
【难度】★★【答案】
(1)Fe2O3、SO244mol
(2)小于
(3)Cu+2H2SO4(浓)
CuSO4+SO2↑+2H2O
变式2:
请根据工业制硫酸的有关知识回答下列问题:
(1)黄铁矿在沸腾炉中反应的化学方程式为___________________________;
(2)在硫酸工业生产中,为了有利于SO2的转化,且能充分利用热能,采用了中间有热交换器的接触室(见右图)。
按此密闭体系中气体的流向,则在R处流出的气体中除N2外的主要组成为__________(填序号);
A.SO2B.SO2、SO3
C.SO2、O2D.SO2、O2、SO3
【难度】★★
【答案】
(1)4FeS2+11O2
2Fe2O3+8SO2
(2)C
【方法提炼】
此处的内容以记忆为主:
硫酸工业的三个设备、三个反应方程式、接触室中采用的条件及相关原理、吸收剂的选择、热交换器的原理、废液废气如何处理等。
知识点2:
合成氨工业
【例1】实验室合成氨的装置如下图所示。
试回答:
装置甲的作用:
①________________,②________________,③____________________;
从乙处导出的气体是____________________;检验产物的最简单的化学方法是_________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【难度】★
【答案】干燥气体;使两种气体充分混合;观察气泡以调节H2、N2气流的通入速率。
NH3、N2和H2的混合气
用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近导管口,有白烟说明有NH3生成(其他合理答案也可)
【方法提炼】
此处的内容以记忆为主:
合成氨的原理、条件的选择、原料的来源、如何提高氨气的产率等。
知识点3:
化学平衡的计算
【例1】恒温下,将amolN2与bmolH2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生如下反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
(1)若反应进行到某时刻t时,nt(N2)=13mol,nt(NH3)=6mol,计算a的值。
(2)反应达平衡时,混合气