1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨 一、合成氨反应的限度 1.反应原理 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1,S=-198.2 JK-1mol-1。2.反应特点 必备知识素养奠基 3.有利于氨生成的措施(1)外界条件:_温度、_压强,有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)投料比:温度、压强一定时,N2、H2的体积比为_时平衡混合气中氨的百 分含量最高。降低 增大 13【微思考】298 K时合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H(298 K)=-92.2 kJmol-1。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
2、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v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3),由速率方程可知:_N2或H2的浓度,_NH3的浓 度,都有利于提高合成氨反应的速率。增大 减小【巧判断】(1)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
3、,对逆反应速率影响更大。(2)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。(3)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、合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择原则:(1)尽量增大反应物的_,充分利用原料。(2)选择较快的_,提高单位时间内的产量。(3)考虑设备的要求和技术条件。转化率 化学反应速率 2.合成氨生产的适宜条件:序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在_左右 2 浓度 N2、H2投料比_ 3 压强 1107
4、 1108 Pa 4 催化剂 选择_作催化剂 700 K 12.8 铁【巧判断】(1)从合成塔出来的混合气体,NH3的含量较小,所以生产氨的工厂的效率都很低()提示:。合成氨工业中从合成塔出来的混合气体,NH3的含量较小,但由于分离出NH3后,N2和H2可循环使用,所以总体来说氨的产率是很高的。(2)合成氨厂采用的压强是21073107 Pa,因在该压强下铁催化剂的活性最大()提示:。合成氨的反应为气态物质系数减小的反应,增大压强主要是为了使平衡向正反应方向移动,与催化剂活性无关。关键能力素养形成 知识点 工业合成氨适宜条件的选择【重点释疑】1.工业生产中选择适宜生产条件的思路:对于某一特定的
5、实际反应,选取适宜的外界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外界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,选出适宜的外界条件。外界 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 剂的活性 外界 条件 有利于加快速
6、 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 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
7、,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700 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 铁作催化剂外界因素理论分析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【思考讨论】(1)合成氨工业生产中,为什么采用未转化的合成气循环使用?提示:合成氨反应中,反应物的转化率并不高,如果让N2和H2的混合气体只通过一次合成塔起反应是很不经济的,应将分离液氨后的未转化的合成气进行循环使用,并及时补充N2和H2,使反应物保
8、持一定的浓度,有利于合成氨反应的进行。(2)合成氨工业生产中,为什么采取700 K左右的温度?提示:700K时,催化剂活性最大,反应速率也最大,从而可以提高合成NH3的经济效益。【案例示范】【典例】(2020赤峰高二检测)下列有关合成氨工业的说法中,正确的是()A.从合成塔出来的混合气体中,其中NH3只占15%,所以合成氨厂的产率都很低 B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说合成氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在700 K左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动 D.合成氨厂采用的压强越大,产率越高,无需考虑设备、条件【解题指南】解答本题时应注意以下几点:(1
9、)合成氨反应的特点;(2)合成氨反应的适宜条件;(3)理论与生产实际要相结合。【解析】选B。合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时,原料的转化率并不高,但生成的NH3分离出后,再将未反应的N2、H2循环利用,这样处理后,可使氨的产率较高,A项错误、B项正确;合成氨工业选择700 K左右的温度,主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑,合成氨的反应是放热反应,低温才有利于平衡向正反应方向移动,C项错误;不论从反应速率还是化学平衡考虑,高压更有利于合成氨,但压强太大,对设备、动力的要求更高,因此选择2050 MPa,D项错误。【规律方法】实际化工生产条件的选择需要注意的问题(1)选取适宜的化工生产条
10、件时,既要考虑反应速率问题,又要考虑化学平衡移动的问题,同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响,综合选取适宜条件。(2)温度的选择,不仅要考虑速率、平衡问题,同时还要照顾到催化剂的活性。(3)压强的选择,除了考虑速率和平衡问题,还要考虑对设备的技术要求和成本问题。【迁移应用】1.(2020淮安高二检测)在合成氨时,既要使氨的产率增大,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.D.【解析】选C。要使
11、氨的产率增大,平衡右移,增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度、及时分离产生的NH3均可,要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用正催化剂,因此符合要求的是。2.(2020鞍山高二检测)据报道,在300、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成 乙醇已成为现实:2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)下列叙述错误的是()A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率 B.反应需在300 下进行可推测该反应是吸热反应 C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率【解析】选
12、B。B项,加热可以加快化学反应速率,放热反应也可能在加热条件 下进行,故不正确。【补偿训练】1.(2020西安高二检测)下列有关合成氨工业的说法中正确的是()A.铁作催化剂可加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B.升高温度可以加快反应速率,且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C.增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D.合成氨采用的压强是21075107 Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高【解析】选C。催化剂可以改变反应速率,但不能使平衡移动,只能缩短反应达到平衡所需的时间,A项错误;升高温度可以加快反应速率,但合成氨反应是放热反应,因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动,
13、B项错误;增大压强加快反应速率,C项正确;催化剂的活性取决于温度的高低,而非取决于压强的大小,D项错误。2.(2020合肥高二检测)合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是()A.提高分离技术 B.研制耐高压的合成塔 C.研制低温催化剂 D.探索不用N2和H2合成氨的新途径【解析】选C。由图可知:(NH3)随着温度的升高而显著下降,故要提高(NH3),必须降低温度,但目前所用催化剂活性最好时的温度为700 K,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。【素养提升】在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(
14、g)2SO3(g)H=-198 kJmol-1。(已知催化剂是V2O5,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(%):温度 不同压强下SO2的转化率(%)1105 Pa 5105 Pa 1106 Pa 5106 Pa 1107 Pa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 催化剂 请思考:根据化学理论和以上数据综合分析,为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫,可控制的条件是什么?(证据推理与模型认知)提示:常压、450、催化剂。【课堂回眸】课堂检测素养达标 1.(2020岳阳高二检测)哈伯因发
15、明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2,在一定条件下使该反应发生。下列有关说法正确的是()A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3 B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等 C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化 D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零【解析】选C。在密闭容器中进行的任何可逆反应不可能进行到底,因此,达到化学平衡时,氮气不可能完全转化为氨气,A错;当正反应速率和逆反应速率相等(不为零)时,反应达到平衡,此时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化,但
16、不能认为N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等。2.(2020临汾高二检测)可逆反应3H2(g)+N2(g)2NH3(g)H0,达到平 衡后,为了使H2的转化率增大,下列选项中采用的三种方法都正确的是 ()A.升高温度,减小压强,增加氮气 B.降低温度,增大压强,加入催化剂 C.升高温度,增大压强,增加氮气 D.降低温度,增大压强,分离出部分氨【解析】选D。要使氢气的转化率增大,需使平衡向正反应方向移动,根据合成氨反应的特点,由于正反应为放热反应,需降低温度;正反应为气体总体积减小的反应,需增大压强;另外还可通过及时分离出部分氨气,减小生成物浓度的方法,促使平衡右移,故D项正确。3.(202
17、0邯郸高二检测)下列说法能够用勒夏特列原理来解释的是()A.加入催化剂可以提高单位时间氨的产量 B.高压有利于氨的合成反应 C.700 K高温比室温更有利于合成氨的反应 D.恒温恒容下,在合成氨平衡体系中充入He,使压强增大,则平衡正向移动,NH3增多【解析】选B。A项中加入催化剂只能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,提高“单位时间”的产量,不能使化学平衡发生移动。B项中合成氨是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强,使平衡向正方向移动,有利于合成氨,符合勒夏特列原理。C项中因为合成氨是一个放热反应,所以从化学平衡移动角度分析,应采用较低温度。700 K高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。
18、采用700 K既考虑到温度对速率的影响,更主要的是700 K左右催化剂活性最大。D项中恒温恒容下充He,稀有气体He不与N2、H2、NH3反应。虽总压强增大了,实际上平衡体系各成分浓度不变(即分压不变),所以平衡不移动,NH3的产量不变。【补偿训练】(2020平顶山高二检测)下列关于N2+3H2 2NH3反应速率与时间的关系图 中,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t,当反应达到平衡后,条件发生改变与 速率变化的关系中不符合实际的是()【解析】选A。合成氨反应的化学方程式的特点是:体积缩小、放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实
19、际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A图象错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B图象正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C图象正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增加,所以正反应速率增大,分离出NH3,产物的浓度降低,所以逆反应速率减小,所以D图象正确。4.(2020临沂高二检测)合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.2 kJmol-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图:下列说法正确的是()A.t1时升高了温度 B.t2时使用了催化剂
20、 C.t3时增大了压强 D.t4时降低了温度【解析】选B。若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错;若t3时增大了压强,v(正)应突然增大,而不会减小,C错;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错。5.(新思维新考向)合成氨工业的原料气中含有少量CO,CO会使催化剂失去催 化能力(催化剂中毒),因此,在进入合成塔前必须将其除去。一般用醋酸二氨合 铜溶液来吸收原料气中的CO,其反应为Cu(NH3)2Ac(aq)+CO(g)+NH3(g)Cu(NH3)3COAc(aq)(正反应为放热反应)。世纪金榜导学号(1)分析醋酸二氨合铜吸收CO的适宜条件。(2)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环 使用,判断醋酸铜溶液再生的适宜条件。【解析】(1)醋酸二氨合铜吸收CO的反应为气体体积减小的放热反应,降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动,故应采用低温、高压作为生产条件。(2)放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反,应采用高温、低压作为生产条件。答案:(1)低温、高压(2)高温、低压
