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