1、高考资源网（ ）与您相伴。欢迎广大教师踊跃来稿！。 第4节化学反应条件的优化工业合成氨(1)增大反应物浓度和增大压强使平衡向合成氨的方向移动。(2)使用催化剂、升高温度、增大压强等可提高合成氨反应的速率。(3)选择合适的条件应从理论分析和生产实际考虑。(1)合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。(2)降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(3)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。(4)合成氨反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)在298 K时HTS0，其平衡常数K4.1106(molL1)2，只能说明反应在此
2、条件下进行得较完全，不能说明反应速率的快慢。1利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是()A高温B高压C使用催化剂 D增大N2的浓度解析：提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会降低。答案：B(1)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vk c(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。(2)使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。(3)温度对合成氨
3、反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。2在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是()A加入催化剂 B增大H2的浓度C升高温度 D增大NH3的浓度解析：加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度速率减慢。答案：D自学教材填要点1合成氨反应条件的选择原则(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；(2)选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量；(3)考虑设备和技术条件。2合成氨反应的适宜条件(1)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
4、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。(2)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700 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)。(3)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做催化剂。(4)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，此外，还应考虑原料的价格，未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。师生互动解疑难(1)由于N2在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，适当提高N2的比例更能加快合成氨反应的进行。(2)运用化学
5、理论选择实际工业生产的条件时，要考虑实际化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等综合因素的影响，选取适宜条件。3工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是()适当提高氨的合成速率提高H2的转化率提高氨的产率催化剂在700 K时活性最大A只有 BC D解析：合成氨反应为放热反应，温度高，转化率低，但反应速率快，同时要考虑催化剂的活性。答案：D例合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。(1)X的化学式为_；(2)图中条件选定的主要原因是_(填字母编号)；A温度、压强对化学平衡的影响B铁触媒在该温度时活性大C工业生产受动力、材料、设备等条件的限制(3)改变反应
6、条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是_，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是_。(填字母编号)解析(1)原料气N2和H2经一定条件下的反应，生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。(2)中A温度选择在500 并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择2050 MPa是从化学平衡理论分析的压强越大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)中考查压强、温度对
7、化学平衡的影响。答案(1)NH3(2)BC(3)ca选取适宜的化工生产条件时，要运用反应速率和化学平衡移动原理，同时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。外界条件有利于加快速率的条件控制有利于平衡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无影响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，尽量采取高温并选取适宜的催化剂压强高压(有气体参加)(g)0高压在设备条件允许的前提下，尽量采取高压(g)0低压兼顾速率和平衡，选取适宜的压强有平衡体系：CO(g)2H2(g
8、)CH3OH(g)H0(2)CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H0工业生产中，欲提高CO的转化率，所采取的下列措施正确的最佳组合是()降低温度增大压强使用催化剂增大CO浓度增大H2O(g)的浓度A BC D解析：降低温度，平衡向右移动，则CO的转化率提高；因反应前后气体的总体积不变，故增大压强，平衡不移动，则CO的转化率不变；催化剂不能使平衡移动，故CO的转化率不变；增大CO的浓度，则CO的转化率降低，增大水蒸气的浓度，则平衡向右移动，CO的转化率升高。答案：A4(2012泰安月考)合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是()A加快反应速率 B提高NH3的平衡浓度C降低NH3的沸点 D
9、提高N2和H2的利用率解析：合成氨是可逆反应，在中压工艺条件下合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%14%，循环使用可提高N2和H2的利用率。答案：D5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)H76
10、5.2 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)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)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。解析
11、：(1)以反应进程为横坐标，能量变化为纵坐标画图，有催化剂时反应进行需要的能量低，且反应后生成物能量高于反应物能量。注意体现出催化剂参与反应改变了反应历程。(2)升温或增大N2浓度均能使平衡向正反应方向移动，从而提高反应速率，增大NH3生成量。(3)设N2转化的物质的量浓度为x molL1N2(g)3H2(g)2NH3(g)起始浓度(molL1)0.30.80转化浓度(molL1)x3x2x平衡浓度(molL1)0.3x0.83x2x所以解得x0.2N2转化率为100%66.7%反应2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数K0005(mol2L2)。答案：(1)(2)升高温度，增大反应物
12、N2的浓度(3)66.7%0.005 mol2L2课时跟踪训练(时间45分钟满分60分)一、选择题(本题包括7小题，每小题3分，共21分)1下列事实能用勒夏特列原理解释的是()A使用铁触媒有利于氨的合成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解析：合成氨反应是气体体积减小的放热反应，增大压强，平衡向右移动，有利于合成氨的反应。答案：B2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
13、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：工业上合成M可能采用常压，如硫酸工业中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；温度越高，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。答案：D31913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A BC D解析：合成氨反应为N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，加压、降
14、温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动，、正确；将原料气循环利用也可提高原料的转化率，正确。答案：B4双选题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合成氨反应化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等因素的影响D使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合的速率明显加快解析：合成氨反应是可逆反应，N2不能全部转化为氨；温度升高，化学反应速率加快。答案：CD5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，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低B由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使
15、用，所以总体来说氨的产率较高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是2107 Pa5107 Pa，因为该压强下铁的活性最大解析：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错误，B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20 MPa5
16、0 MPa，D错误。答案：B6双选题合成氨时，既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的措施是()A不断地充入N2和H2B升高温度C增大压强D不断地分离出NH3解析：A、B、C项均能使反应速率加快，但升高温度平衡向左移动，产率降低。答案：AC7对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，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，而压强无此作用解析：对化学反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，催化剂和高压均
17、能缩短达到平衡的时间，但只有高压可使平衡向生成NH3的方向移动，催化剂不影响平衡。答案：C二、非选择题(本题包括4小题，共39分)8(9分)合成氨反应在工业生产中的大量运用，满足了人口的急剧增长对粮食的需求，也为有机合成提供了足够的原料氨。合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。在298 K时：H92.4 kJmol1，S198.2 JK1mol1，K6.6105(molL1)2。(忽略温度对H和S的影响)(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？_(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因：_。(3)298 K,1.01105
18、kPa，在恒压的密闭容器中充入10 mol N2、30 mol H2和20 mol NH3，开始的瞬间，反应向_(填“正”或“逆”)方向进行，反应一段时间(t min)后体系能量的变化为_(填“吸收”或“放出”)184.8 kJ，容器的体积变为原来的_倍，t min时反应物(若正向进行则为氮气，若逆向进行则为氨气)的转化率为_。解析：化工生产是在遵循科学原理的前提下，重点考虑综合经济效益，即提高生产率、降低成本和保护生态环境。如对合成氨工业适宜条件的选择应是尽量提高反应速率和加大反应进程(多获得产品)，前者属于化学动力学问题，后者属于化学热力学即化学平衡问题。在298 K，101105 kPa
19、时，把10 mol N2、30 mol H2、20 mol NH3代入平衡常数表达式得6.6105 mol2L2，反应向正反应方向进行，且放出能量，放热184.8 kJ，说明生成NH32 mol4 mol，N23H22NH3开始/mol103020t min/mol102306204在恒压容器中容器的体积变为原来的，氮气的转化率为：100%20%。答案：(1)“从平衡常数来看，反应的限度已经很大”，属于化学平衡问题，而使用催化剂是为了加快化学反应的速率，提高单位时间的产量，属化学反应速率的问题，催化剂不能改变反应的限度(2)温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此
20、合成氨时温度要适宜，工业上一般采用700 K左右的温度，在这个温度时，催化剂的活性最大(3)正放出14/1520%9(9分)合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜()溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：Cu(NH3)2(CH3COO)CONH3Cu(NH3)3(CH3COO)COH0(1)必须除去原料气中CO的原因是_。(2)醋酸二氨合铜()吸收CO的生产适宜条件应是_。(3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再生，恢复吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶液再生生产的适宜条件应是_。解析：CO可使催化剂中毒而失去催化活性，所以原料气在
21、进入合成塔前一定要将CO除去。吸收CO的反应是气体体积减小的放热反应，低温、高压有利于反应向右进行；醋酸铜氨的生成反应是其逆反应，高温、低压有利于其再生。答案：(1)防止催化剂中毒(2)低温高压(3)高温低压10(9分)工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.44 kJmol1，其部分工艺流程如图所示：反应体系中各组分的部分性质见下表气体氮气氢气氨熔点/210.01259.7777.74沸点/195.79252.2333.42回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。随着温度升高，K值_(填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)K值越
22、大，表明_(填字母)。A其他条件相同时N2的转化率越高B其他条件相同时NH3的产率越大C原料中N2的含量越高D化学反应速率越快(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到_使_分离出来；继续循环的气体是_。解析：(1)由化学方程式N2(g)3H2(g)2NH3(g)不难写出：K，此反应H0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向左移动，NH3减小，N2和H2增大，故K减小。(2)K值越大，说明NH3越大，N2和H2就越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同时N2的转化率就越高，NH3的产率就越大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可
23、使平衡正向移动，剩余N2和H2循环使用，以提高产率。答案(1)减小(2)A、B(3)33.42 氨N2和H211(12分)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(%)：强压转化率温度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，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控制的条件是_。(2)实
24、际生产中，选定400500 作为操作温度，其_。(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_。(4)在生产中，通入过量空气的目的是_。(5)尾气中有SO2必须回收是为了_。解析：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。答案：(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)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率(5)防止污染环境高考资源网版权所有！投稿可联系QQ：1084591801试卷、试题、教案、学案等教学资源均可投稿。
