高中化学生产条件的选择

化学反应总是在一定条件下进行。化学反应速率和化学平衡从两个角度诠释了反应进行的两个方面，一个是快慢问题，一个是转化率问题，而我们研究化学反应尤其是工业反应则应该从这两个方面入手，使生产产品“又快又多”，同时兼顾原料、设备、成本等问题，选择适宜的生产条件。
　　
　　一、速率、平衡不可兼得，理论与实际相结合选择合成氨条件
　　
　　从反应特点看，合成氨反应是一个气体总体积缩小的正反应放热的可逆反应。即：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；ΔH<0。从反应速率角度考虑，合成氨越快越好，所以条件适宜温度高、压强大且有催化剂。从化学平衡角度讲，氨气转化率越大越好，所以条件适宜温度低、压强大，不断补充氮气氢气移走氨气等。
　　
　　很显然，外界条件对速率、平衡的影响有一致的，也有矛盾的，所以必须结合生产实际进行选择。
　　
　　温度对速率、平衡的影响不一致，二者不可同时满足，需要协调。工业生产要求较高产量，速率不能太低，要求转化率尽可能大，所以应尽量使平衡正向移动，同时又要考虑催化剂的活性，所以工业上选择一个适合三者较为适宜的温度范围500 ℃左右。增大压强对速率和平衡的影响一致，所以不必协调，但压强太大对设备的要求较为苛刻，故选择适当压强即可。催化剂虽然对化学平衡没有影响，但可缩短达到平衡所需要的时间，所以在工业生产中一般都使用催化剂。
　　
　　综合以上，合成氨工业的适宜条件为（1）增大氮气氢气浓度，及时将生产的氨分离出来。（2）温度500 ℃左右（3）压强为20 MPa~50 MPa（4）使用铁触媒做催化剂，用化学方
　　
　　程式表示为：
　　
　　二、条件并非多多益善，成本是工业效益的重要指标
　　
　　已知在硫酸工业中
　　
　　①SO2转化为SO3的反应为2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)；ΔH<0
　　
　　②经测定，在常压下上述反应的平衡混合气体中，SO3的体积分数为91％。
　　
　　③催化剂V2O5的催化效率f与温度T有如图关系。
　　
　　④经除尘去杂后的SO2气体的温度约为200 ℃，反应后的SO3气体的温度约为600 ℃。
　　
　　请根据以上信息，选择SO2氧化为SO3的适宜生产条件是___________________。
　　
　　解析：对2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)；ΔH<0而言，SO2氧化为SO3的适宜条件既要使反应速率较快，又要使SO2的转化率较高，选择适宜条件类似于合成氨条件选择但又有所不同。
　　
　　根据信息②，在常压下上述反应的平衡混合气体中，SO3的体积分数为91％。由此可见，常压下SO2的转化率已经很高了，虽然增大压强可加快反应速率，也可使平衡正向移动，但条件的实现涉及动力和设备要求等问题，增大成本，效益不会增高，故一味增大压强没有意义。所以选择常压即可。
　　
　　根据反应特点，温度高则速率高，但温度越高SO2转化率反而降低，从题给图可看出，450~500 ℃左右，催化剂的催化效率较高，500 ℃以后，催化效率变化不大，并且在500 ℃左右的条件下也兼顾了反应速率和反应物的平衡转化率，所以选择适宜温度为450~500 ℃。
　　
　　由信息④可见，假如利用热交换装置将该反应放出的热量去预热反应的气体，会降低能耗，降低成本，提高效益，是一项有意义的措施。当然，我们也可以加入稍过量的氧气或空气，即提高廉价原料的浓度，以提高SO2的转化率。
　　
　　综上该反应选择的条件是：加入过量氧气、常压、450~500 ℃左右、使用催化剂V2O5，使用热交换装置等。