1、高考资源网（） 您身边的高考专家温馨提示： 此套题为Word版，请按住Ctrl,滑动鼠标滚轴，调节合适的观看比例，答案解析附后。关闭Word文档返回原板块。第4节化学反应条件的优化工业合成氨必备知识自主学习一、合成氨反应的限度1反应原理N2(g)3H2(g)2NH3(g)在298 K时：H92.2 kJmol1，S198.2 JK1mol1。2反应特点 3影响因素(1)反应条件：降低温度、增大压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为13时平衡混合物中氨的百分含量最高。298 K时合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H(298 K)
2、92.2 kJmol1。在该温度下，取1 mol N2和3 mol H2放在密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，反应放出的热量是多少，为什么？提示：小于92.2 kJ，因为合成氨反应是可逆反应，不可能完全进行到底。二、合成氨反应的速率1增大合成氨反应速率的方法2浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。(1)温度和催化剂如何影响合成氨的反应速率？提示：温度升高，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的
3、活化能，使合成氨反应的速率提高。(2)判断下列说法是否正确。正确的打“”，错误的打“”。升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大()提示：。合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大。增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大()提示：。合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大。加入催化剂，对合成氨的正逆反应的反应速率影响程度相同()提示：。加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同。三、合成氨反应的适宜条件1合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从反应速率
4、和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。2合成氨的适宜条件序号影响因素选择条件1温度反应温度控制在700K左右2物质的量N2、H2投料比12.83压强1107 1108 Pa4催化剂选择铁作催化剂(1)判断下列说法是否正确。正确的打“”，错误的打“”。合成氨反应在高温下能自发进行。()提示：。合成氨反应H0，S0，HTS在低温时小于0。温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。()提示：。合成氨反应H0，温度越低越利于平衡正向移动。合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和
5、平衡正向移动。()提示：。合成氨正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动。使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。()提示：。催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。(2)在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？提示：为了加快反应速率，采用以铁为主的催化剂。(3)有的同学说“从合成塔出来的混合气体，其中氨只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低”，你是否认同，为什么？提示：不认同。因为虽然从合成塔出来的混合气体中氨只占15%，但由于原料氮气和氢气循环使用和不断分离出液氨，所以合成氨的工厂的生产效率还是很高的。关键能力合作学
6、习知识点工业合成氨适宜条件的选择1工业生产中选择适宜生产条件的思路：对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件的基本思路如下：(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。(2)根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。(3)从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。反应条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂温度高温H0高温在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化
7、剂的活性压强高压(有气体参加)V(g)0低压兼顾速率和平衡,选取适宜的压强2.工业合成氨生产条件的选择：(1)合成氨生产的要求。合成氨工业要求：反应要有较快的反应速率。要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。(2)合成氨生产条件的选择依据。化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。(3)选择合成氨生产条件的理论分析。外界因素理论分析压强压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压温度温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在7
8、00 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)催化剂使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂浓度合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为12.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去其他为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用(1)合成氨工业生产流程中的N2的制取采用的是化学方法吗？(科学探究与创新意识)提示：不是。合成氨工业流程中是将空气液化、蒸发分离出 N2，所以采用的是物理分离的方法， 而不是化学方法。(2)实际工业生产中对气体体积缩小的反应， 为什么有时不采用很高的压强？(证据推理与模型认知)提示：压强越大，对设备的要求越高、压缩气体所需要的动力越大，
9、会增加成本；另外，有的反应在一般压力下如果转化率已经很高，也没必要使用高压。【典例】(2021杭州高二检测)合成氨工业的发展大大提高了粮食产量，促进了国民经济和国防工业的发展。合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是()减压加压升温降温及时从平衡混合气中分离出NH3补充N2或H2加催化剂减小N2或H2的量ABC D【解题指南】解答本题需注意以下3点：(1)合成氨反应的特点。(2)影响化学反应速率和化学平衡的因素。(3)合成氨适宜条件的选择。【解析】选B。合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g) H0的特点为正反应放热且气体体积减小的。要使平衡向正反应方向移动且
10、反应速率加快，应选B。【母题追问】(1)在温度、体积不变的情况下，加入惰性气体能不能提高氮气和氢气的转化率？提示：不能。因为在体积不变的情况下，加入惰性气体对各物质的浓度没有影响，所以转化率不会有影响。(2)在温度、压强不变的情况下，加入惰性气体能不能改变氮气和氢气的转化率？提示：可以。因为温度、压强不变的情况下，加入惰性气体，可以改变反应物和生成物的浓度，平衡一定会发生移动，转化率一定会发生变化。(双选)有关合成氨工业的说法中，正确的是()A增大N2的浓度，可提高H2的转化率B由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高C合成氨工业的反应温度控制在500 ，目的是
11、使化学平衡向正反应方向移动D合成氨厂采用的压强是21075107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大【解析】选A、B。A项，增大N2的浓度，可使化学平衡右移，H2的转化率增大；C项，温度控制在500 的目的是此温度下催化剂活性最大；D项，压强采用21075107 Pa是考虑对设备材料的要求。【加固训练】1某工业生产中发生反应：2A(g)B(g)2M(g) H0。下列有关该工业生产的说法正确的是()A工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成B若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率C工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高D工业生产中常
12、采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量【解析】选D。工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。2(2021惠州高二检测)在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是()A都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响D使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果【解析】选C。对于反应N2(g)3H2(g)
13、2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，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的方向移动。三言两语话重点1工业生产条件选择的原则： 快速、高效、低成本、低污染。2必记1个反应：合成氨反应 N2(g)3H2 (g)2NH3(g)H0。3记住3个条件：合成氨适宜条件是铁作催化剂、 温度在700 K左右，压强在11071108 Pa之间。课堂检测素养达标1(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是()A温度升高，不利于提高合成氨的反应速率B工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨C合成氨反应平
14、衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响D使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大【解析】选C、D。温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的
15、制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。2(2021衡水高二检测) 有平衡体系：CO(g)2H2(g)CH3OH(g)H”“v逆。(2)由图象知虚线(乙)中H2的反应速率变大，结合化学方程式可知，增大压强或增大CO2浓度均可以加快H2的消耗速率，且达到平衡时H2的物质的量小于甲；使用催化剂尽管可以增大反应速率，但平衡状态应与甲相同；升高温度可增大反应速率，但平衡时H2的量应多于甲，故b、d项符合题意。答案：(1)(2)bd【加固训练】在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H198 kJmol1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O
16、5，它在400500 时催化效果最好)表格中为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：温度压强1105 Pa1106 Pa5106 Pa1107 Pa450 97.5%99.2%99.6%99.7%550 85.6%94.9%97.7%98.3%(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是什么？提示：常压、450 、催化剂。(2)实际生产中，选定400500 作为操作温度，原因是什么？提示：制SO3使用的催化剂是V2O5，在此温度下催化剂的活性最高。(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是什么？提示：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，比起常压设备，得不偿失。(4)在生产中，通入过量空气的目的是什么？提示：增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率。(5)尾气中SO2必须回收的原因是什么？提示：防止污染环境。关闭Word文档返回原板块- 15 - 版权所有高考资源网
