1、第4节 化学反应条件的优化工业合成氨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。课程标准导航新知初探自学导引自主学习 一、合成氨反应的限度1合成氨的化学原理及特点(1)反应原理：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1 S(298 K)198.2 JK1mol1(2)化学反应的特点 该反应是一个能自发进行的、_热的、气体体积_的可逆反应。2合成氨反应的限度分析 _温度、_压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为_时，平衡混合物中氨的
2、含量最高。放减小降低增大13二、合成氨反应的速率 增大_，使用合理_，升高_均可增大合成氨反应的反应速率。反应物浓度催化剂温度三、合成氨的适宜条件 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)考虑设备和技术条件。转化率反应速率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,应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为_、_和_三种类型。低压中压高压(2)温度 温度越高，反应速率_，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在_K左右(且在此温度时催化剂的活性_)。(3)催化剂 使
3、用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择_做催化剂。越大700最大铁(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，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_、未转化的合成气的_使用、_的综合利用等问题。价格循环反应热1从化学反应速率和化学平衡两方面考虑,合成氨应采用的条件是()A低温、高压、催化剂 B低温、低压、催化剂 C高温、高压、催化剂D适当温度、低压、催化剂自主体验 解析：选C。根据合成氨反应的特点、外界条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂的活性进行选择。2合成氨时，既要使H2的转化率增大，又要使反应速率增大，可采取的方法是()A补充H
4、2B升高温度 C增大压强D使用催化剂 解析：选C。补充H2，使反应速率加快，但H2的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左移，H2的转化率降低；增大压强，反应速率加快，平衡右移，H2的转化率提高；催化剂只能加快反应速率，而不会提高反应物的转化率。3在合成氨工业中，达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是()为增加NH3的日产量，不断将NH3分离出来 为增加NH3的日产量，使用催化剂 为增加NH3的日产量而采用1107 Pa1108 Pa的压强 为增加NH3的日产量，采用700 K左右的高温AB CD 解析：选D。中催化剂不能使平衡移动，中升高温度，平衡逆向移动，不利于NH3的生成，故选D。探
5、究导引1 怎样考虑合成氨的适宜条件？提示：运用化学反应速率和化学平衡移动原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，选择合成氨的适宜条件。要点突破讲练互动合成氨适宜条件的选择要点归纳1提高反应的平衡转化率和反应速率的措施提高反应的平衡转化率 提高化学反应速率 性质 措施 性质 措施 放热 降低温度 活化能高 加催化剂 分子数减小 增大压强 低温时反应速率低 升高温度 平衡常数不大 降低温度 原料气体浓度增加能提高反应速率 增大N2、H2的浓度 氨气浓度降低使平衡过程正移 降低NH3浓度 氨气浓度增加能降低反应速率 分离氨气 2.合成氨反应的适宜条件因数 条件 速率 平衡 其他 适宜条件
6、 增大压强 增大 向右移动 动力、材料、设备有限 2050 MPa的高压 升高温度 增大 向左移动 催化剂在700 K时活性最大 700 K左右的适宜温度 因数 条件 速率 平衡 其他 适宜条件 增大反应物浓度或减小生成物浓度 v正增大 v逆减小 向右移动 另一反应物转化率增大不明显 不断补充N2、H2(12.8)循环操作及时分离NH3 催化剂 增大 Fe为主的多成分催化剂 特别提醒工业生产中化学反应条件优化的一般原则工业生产中既要考虑反应速率快，又要考虑原料利用率高，所以在选择生产条件时，应从这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特别要适应催化剂的活性，如
7、合成氨及合成三氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范围内选择；同时还可增大廉价原料的用量，及时分离出产物，既可以增大反应速率，又可提高平衡转化率。即时应用1合成氨的反应：N23H22NH3，在一定条件下已达到平衡状态。(1)此时_相等，_保持不变，而_却仍在进行，因此化学平衡是_平衡。(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移动，则正反应是_反应，生成1 mol NH3的热效应数值为46.1 kJ，则该反应的热化学方程式为_。(3)合成氨时，选择500 高温的目的是_ _。(4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变,而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍,则上述平衡向_移动；若在平衡体
8、系中加入氦气，则上述平衡_移动。解析：若保持反应容器的体积和反应温度不变，将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍，其效果相当于增大体系的压强，根据压强对化学平衡的影响，可判断上述平衡应该向正反应方向移动。若在平衡体系中加入氦气，氦气不参与反应，由于反应容器的体积和反应温度都不变，氦气的加入只是增大了容器内总的压强并未改变反应体系的压强，因此氦气的加入对上述平衡没有影响即化学平衡不移动。答案：(1)正、逆反应速率 各反应物和生成物的浓度(合理即可)正、逆反应 动态(2)放热 N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1(3)加快化学反应速率且工业上用的催化剂在此温度时活性最大(4)
9、正反应方向 不探究导引2 合成氨的工艺流程是怎样的？提示：合成氨的工艺流程要点归纳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：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4H2O=CO3H2，COH2O=CO2H2。2净化气体 制得的N2、H2需净化，除去杂质(防止催化剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。3NH3的合成 在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后，进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。4NH3的分离 混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得
10、到液氨，而未反应的N2和H2经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。特别提醒现代合成氨工业正向着原料结构更加合理化,生产规模大型化，开发低能耗新工艺，以及实现生产自动化的方向迅速发展。即时应用2(2012威海高二期中考试)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”)。气体 氮气 氢气 氨 熔点/210.01 259.77 77.74 沸点/195.79 252.23
11、 33.42(2)K值越大，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 NH32N2H23，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
12、大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N2和H2循环使用，以提高产率。答案：(1)NH32N2H23 减小(2)AB(3)33.42 氨 N2和 H2题型探究权威预测化工生产适宜条件的选择例1 在硫酸工业生产过程中，有反应 2SO2(g)O2(g)2SO3(g)(正反 应为放 热反应)，根据下表所提供的不同压强下 SO2转化率(%)的数据，试选择该反应的适宜条件(以V2O3 做催化剂)_。压强 温度 1105Pa 5105Pa 10105Pa 50105Pa 100105Pa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500 85.6 9
13、2.9 94.9 97.7 98.3【解析】该反应与合成氨的反应相似，都是气体体积缩小的放热反应，温度升高有利于加快反应速率，但降低了反应物的转化率,适宜条件的选择需要综合考虑。增大压强有利于加快反应速率，同时也可以提高反应物的转化率，但压强对SO2的催化氧化的转化率影响不大。【答案】450 1105 Pa【名师点睛】理论与生产实际相联系，如何根据平衡移动原理、化学反应速率和设备要求选择工业生产的适宜条件，可能是本节学习过程中遇到的主要困难。反应速率、移动方向和设备要求有时是矛盾的，有时是统一的，最终确定的条件往往是理论与现实相互作用、共同制约的结果。工业合成氨的有关计算例2 恒温下，将 a
14、mol N2 与 b mol H2 的混合气体通入一个容积固定的密闭容器中，发生反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)(1)反应进行到某时刻 t 时，n(N2)13 mol，n(NH3)6 mol，计算 a 的值。(2)反应达到平衡时，混合气体的体积为716.8 L(标准状况下)，其中NH3的含量(体积分数)为25%。计算平衡时NH3的物质的量。(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比n(始)n(平)_(写出最简整数比，下同)。(4)原混合气体中，ab_。(5)达到平衡时，N2和H2的转化率之比(N2)(H2)_。(6)平衡混合气体中，n(N2)n(H2)n(NH3)_。【思路点拨】
15、解答本题要注意以下两点：(1)了解化学平衡计算的常用解题方法：“三段法”和“差量法”。(2)弄清转化率的计算公式：n转化n总 100%。【解析】(1)由反应的化学方程式可知，消耗的N2和生成的NH3的物质的量之比为12。即n(N2)6 mol12，得n(N2)3 mol，因开始加入的N2的物质的量为 mol，故a31316。(2)平衡时 NH3 的物质的量为716.8 L22.4 Lmol125%8 mol。(3)由 N2(g)3H2(g)2NH3(g)n1 mol 3 mol 2 mol 2 mol可知反应中生成的氨气的物质的量等于反应减少的气体的物质的量。故n始n平716.8 L22.4
16、Lmol18 mol716.8 L22.4 Lmol154。(4)由前面计算结果可知：bn(始)a401624。故 ab162423。(5)反应过程中各物质的物质的量变化如下：N2(g)3H2(g)2NH3(g)n(开始)/mol 16 24 0n(转化)/mol 4 12 8n(平衡)/mol 12 12 8因此N2H24 mol16 mol12 mol24 mol12。(6)由(5)中知平衡混合气体中n(N2)n(H2)n(NH3)12128332。【答案】(1)a16(2)n平(NH3)8 mol(3)54(4)23(5)12(6)332热点示例思维拓展 经典案例 科学家一直致力于研究常
17、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/K 303 313 323 353 NH3生成量/(106mol)4.8 5.9 6.0 2.0 相应的热化学方程式如下：N2(g)3H2O(l)=2NH3(g)32O2(g)H765.2 kJmol1回答下列问题：(1)请以反应进程为横坐标，能量变化为纵坐标，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
18、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47。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】(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
19、反应后生成物能量高于反应物能量。(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，另外从体系中不断移出NH3，也能使平衡向正反应方向移动，增大NH3生成量。(3)设 N2 转化的物质的量浓度为 xN2 3H2 2NH3起始浓度(molL1)0.3 0.8 0转化浓度(molL1)x3x2x平衡浓度(molL1)0.3x0.83x2x所以2x0.3x0.83x2x47解得 x0.2N2 转化率为0.2 molL10.3 molL1100%66.7%反应 2NH3(g)N2(g)3H2(g)的平衡常数 KH23N2NH320.8 molL130.2 molL130.3 molL10.2 molL120.2 molL120.005 mol2L2。【答案】(1)(2)升高温度或增大N2浓度或不断移出生成物(3)66.7%0.005 mol2L2
