1、第4节化学反应条件的优化工业合成氨目标要求1.认识合成氨的化学原理。2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。3.了解合成氨生产的主要流程。4.了解工业条件选择的依据和原则。一、合成氨反应的限度1合成氨的化学反应方程式_。2合成氨反应的特点(1)它是一个_反应。(2)正反应是一个_反应。(3)正反应是气体体积_的反应。因此，_温度、_压强将有利于化学平衡向生成_的方向移动。在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。二、合成氨反应的速率1速率方程：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)c3/2(H2)c1
2、(NH3)，由速率方程可知：_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。2温度升高时，k增大，因此升温有利于提高合成氨的速率。3加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高上万亿倍。三、合成氨的适宜条件1合成氨反应条件的选择原理工业生产中，既要考虑尽量增大反应物的_，充分利用原料，又要选择较快的_，提高单位时间内的产量。以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况具体分析，找出最佳的反应条件。2合成氨反应的适宜条件(1)压强适宜条件理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。(2)温度适宜条件：_左右。理论依据
3、：该温度下催化剂的活性最高，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。(3)催化剂适宜条件：以_为主的多成分催化剂。理论依据：加快反应速率。(4)浓度适宜条件：氮气和氢气按物质的量之比12.8时混合，适时分离出氨气。理论依据：适当提高氮气的分压，来提高氢气的转化率。(5)其他为了提高原料的_，未反应的氮气和氢气循环使用并及时补充氮气和氢气。3合成氨工业生产流程 (1)原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用天然气和水制H2的主要反应为：CH4H2O(g)CO3H2COH2O(g)
4、CO2H2(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。(3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。(4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。4合成氨的发展前景(1)寻找_温度下合成氨的催化剂。(2)研制出能承受_且廉价的新材料。(3)人工模拟生物固氮。知识点一合成氨反应的限度1能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是()A升高温度 B降低压强 C使用催化剂 D不断移去NH32利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率应采取的措施是()A高温 B高压 C使用催化剂 D增大N2的浓度知识点二
5、合成氨条件的选择3下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()A使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B高压比常压条件更有利于合成氨的反应C500左右比室温更有利于合成氨的反应D合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率42007年10月10日，德国科学家格哈德埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖，以奖励他在表面化学领域做出的开拓性贡献。合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高，就是埃尔特的研究成果。下列关于合成氨反应的叙述中，正确的是()A铁作催化剂可加快反应速率，且有利于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，且有利于平衡向合成氨的方向移动C升高温度可以
6、加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动D增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动5工业合成氨的反应是在500左右进行的，这主要是因为()A500时此反应速率最快B500时NH3的平衡浓度最大C500时N2的转化率最高D500时该反应的催化剂活性最大练基础落实1关于工业合成氨的叙述中，错误的是()A在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行B温度越高越有利于工业合成氨C在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本D及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动2在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有()增大体积使
7、压强减小减小体积使压强增大升高温度降低温度恒温恒容，再充入等量的N2和H2恒温恒压，再充入等量的N2和H2及时分离产生的NH3使用正催化剂A B C D3在N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)HKC平衡体系中NH3的含量增大DN2的转化率增大4在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%。若反应前后压强不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值为()A15 B14 C13 D125对于合成氨的反应，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
8、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，而压强无此作用题号12345答案练方法技巧6在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)O2(g)催化剂2SO3(g)H198 kJmol1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400500时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)： (1)根据化学理论综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是_。(2)实际生产中，选定400500作为操作温度，其原因是_。(1) 实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。(2) 在生产中，通入过量空气的目
9、的是_。(5)尾气中有SO2，必须回收是为了_。7根据碰撞理论，分子在发生反应时必须要进行有效碰撞。那些具有足够高能量，能发生有效碰撞的分子称为活化分子，要使普通分子成为活化分子所需最小能量称为活化能(Ea)。一定温度下气体分子中的活化分子百分数是一定的，而催化剂可以改变活化能的大小。如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答： (1)若反应中生成2 mol氨，则反应_(填“吸热”或“放热”)_kJ。(2)在图中曲线_(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_。(3)目前合成氨工业广泛采用的反应条件500
10、、20 MPa50 MPa、铁触媒，反应转化率不超过50%，工业上为了进一步提高氨气产率，你认为下列措施最经济可行的是_。A降低反应温度，让反应向着有利于氨气生成的方向进行B升高温度，让更多的分子变成活化分子C寻求能在更低的温度下有很强催化活性的新型催化剂D寻求新型耐高压材料，将压强增大一倍8在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图象如图所示，请回答：(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是_。(2)此可逆反应的正反应是_热反应。(
11、3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由_。练综合拓展9下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)入料V(N2)V(H2)13 (1)比较200和300时的数据，可判断升高温度，平衡向_方向移动，正反应方向为_(填“吸热”或“放热”)反应。(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是_。A高温高压 B高温低压 C低温高压 D低温低压(3)计算500，30 MPa时N2的转化率_。(4)实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取了一些措施。请写出其中的一个措
12、施：_。10科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0105 Pa、反应时间3 h)：T/K303313323353NH3生成量/(106 mol)4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)=2NH3(g)O2(g)H765.2 kJmol1回答下列问题：(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。(2
13、)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：_。(3)工业合成氨的反应为N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算：该条件下N2的平衡转化率；该条件下反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数。基础落实一、1.N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)2(1)可逆(2)放热(3)减小降低增大氨二、1.增
14、大三、1.转化率反应速率2(1)低压中压高压(2)700 K(3)铁(5)利用率4(1)较低(2)高压对点训练1D合成氨的反应特点：体积减小的放热反应，增大压强或降低温度均可增大反应进行的程度，此外增大反应物浓度或减小生成物浓度也可达到目的。2B由于合成氨的反应是一个体积减少的反应，高压有利于平衡右移，提高N2的转化率；又由于该反应为放热反应，高温平衡逆向移动，N2的转化率降低；使用催化剂仅提高反应速率，不会使平衡发生移动；增大N2的浓度，使平衡右移，但N2的转化率降低。3B催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500是综合考虑反应速率和转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。4D5.
15、D课时作业1B合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。2C3D分离出NH3，使平衡向正反应方向移动，故v正v逆，A项不正确；此状态下应是QK，B项不正确；由于分离出NH3，使体系中NH3的含量减小。4A假设平衡时混合气体的物质的量为100 mol，则NH3占到25 mol，由反应方程式的差值关系得到反应中气体减少了25 mol，则原气体为125 mol。5C6(1)常压、450、催化剂(2)在此温度下催化剂的活性最高(3)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，比起高压设备，得不偿失(4)增大反应
16、物O2的浓度，提高SO2的转化率(5)防止污染环境解析解答本题注意以下两点：抓住本反应的反应特点。把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。从提高反应速率考虑，合成SO3需要加入催化剂和升温，加压；从增大反应物的转化率方面考虑，合成SO3需低温，加压，通入廉价空气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜条件。7(1)放热92(2)b降低了合成氨反应的活化能(3)C解析(1)由图中能量状态可知N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量，故该反应为放热反应，且反应N23H22NH3每生成2 mol NH3放出(600508)kJ92 kJ热量
17、。(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。8(1)A点、B点(2)放(3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低解析(1)从图象中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡；(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。9(1)逆反应放热(2)C(3)41.77%(4)加入过量的N2或及时从平衡体系中移走N
18、H3解析根据表中的数据，当压强一定时，升温，NH3的含量减小，即平衡向逆反应方向移动，即正反应为放热反应；当温度一定时，增大压强，NH3的含量增大，即增大压强有利于平衡向正反应方向移动，故合成氨适宜的条件是低温高压。(4)在500，30MPa时，NH3的含量为26.4%，设转化的N2体积为x，则有N2(g)3H2(g)2NH3(g)起始体积 1 3 0转化体积 x 3x 2x平衡体积 1x 33x 2x100%26.4%，x0.4177则N2的转化率为41.77%。10(1)(2)升温、增大N2浓度、不断移出生成物(3)66.7%5.0103 mol2L2解析(1)催化剂能降低反应的活化能，改
19、变反应的历程，使一个高能变过程变为几个能量相对低的过程，使反应易发生。要点是有催化剂时能量低而过程阶段多了。图见答案。(2)加快反应速率且增大NH3生成量的方法是升温、增大N2浓度、不断移出生成物。(3)解：设反应过程消耗x mol N2(g)。N2(g)3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g) 0.60 1.60 0 0.60x 1.603x 2x平衡时反应体系总物质的量(0.60x)(1.603x)2x mol(2.202x) molNH3(g)的物质的量分数2x(2.202x)x0.40N2的平衡转化率100%66.7%设反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，NH320.40 mol2.0 L0.40 molL1N2(0.600.40) mol2.0 L0.10 molL1H2(1.6030.40) mol2.0 L0.20 molL1K(0.10 molL1)(0.20 molL1)3(0.40 molL1)25.0103 mol2L2。
