1、第第 4 节节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成工业合成 氨氨 学业要求 素养对接 1.能从反应限度和反应速率角度讨论化 学反应和化工生产条件的选择和优化。 2.能运用温度、浓度、压强、催化剂对 化学反应速率和平衡的影响规律解释实 际问题。 科学态度与社会责任：通过反应条件的 选择和优化，促使学生形成多角度综合 调控化学反应的思路，发展学生“绿色 化学”的观念。 知 识 梳 理 知识点一、合成氨反应的限度 1.合成氨的化学反应方程式 N2(g)3H2(g)2NH3(g)，H0, S0。 2.合成氨反应的特点 (1)能自发进行。 (2)正反应是放热反应。 (3)正反应是气体物质的量减
2、小的反应。 (4)可逆反应。 3.降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成 NH3的方向移动；在一定温度、压 强下，反应物 N2、H2的体积比为 13 时，平衡混合物中 NH3的含量最高。 知识点二、合成氨反应的速率 1.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。 2.升高温度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，加快化学反应的速率。 知识点三、合成氨的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择原则 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料； (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量； (3)考虑设备的要求和技术条件。 2.
3、合成氨反应的适宜条件 (1)压强 适宜条件 低压 110 7Pa 中压 2107Pa3107Pa 高压 8.5107Pa1108Pa 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：700_K 左右。 理论依据：该温度下催化剂的活性最强，反应速率比较快，氨的含量也相对较 高。 (3)催化剂 适宜条件：以铁为主的多成分催化剂。 (4)浓度 适宜条件：N2和 H2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 N2的浓度，来提高 H2的转化率。 (5)其他 为了提高原料的利用率，未反应的 N2和 H2循环使用并及时补充 N2和 H2
4、。 自 我 检 测 1.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 C.500 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 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、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。 答案 B 2.合成氨反应为 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H92.2 kJ mol 1， K6.6105 mol 2 L2。 (1) 从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是
5、 _。 (2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用 700 K，不采用低温操 作的理由是_ _。 (3)试分析实际生产中采取 700 K 左右的温度的原因是 _。 (4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率，而实际采用的最高 压 强 为8.5107 1108Pa ， 不 采 用 更 高 的 压 强 ， 其 原 因 是 _ _。 答案 (1)为了加快化学反应速率，提高单位时间的产量 (2)温度低时反应速率小，单位时间内 NH3的产量低 (3)温度升高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小，单位时间 内 NH3的产量低，并且在此温度时，催化剂的活性最大 (4)实际
6、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。采 用更高的压强，对设备和材料的要求越高，需要的动力越大，会增加投资和能量 消耗，不经济 3.一定条件下， 将 10.0 mol H2和 1.0 mol N2充入恒容密闭容器中， 发生反应 N2(g) 3H2(g)2NH3(g)，并达到平衡状态，则 H2的转化率可能是( ) A.15% B.30% C.35% D.75% 解析 对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。利用“极限法”，假设 N2完全转化，则消耗的 H2的物质的量为 n(H2)3n(N2)3.0 mol，但事实上， N2是不可能完全转化的，因而消耗的 H2的物质的量一
7、定小于 3.0 mol，故 H2的 转化率 (H2) 3.0 mol 10.0 mol100%30%。 答案 A 学习任务、工业生产中选择适宜生产条件的思路 【情景材料】 利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题，1900 年，法国化 学家勒 夏特列通过理论计算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。他在用实 验验证过程中发生了爆炸，一个助手差点丧命。他没有调查事故发生的原因，而 是觉得这个实验有危险，就放弃了。同时间，许多著名的法国化学家如泰纳，德 维尔乃至贝托洛自己都在这项工作中失败了。1909 年，德国物理化学家 F.哈伯 用锇催化剂将氮气与氢气在 17.520MPa 和 500
8、600 下直接合成，反应器出 口得到 6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长，你最关心什么呢？对整个生产过 程有怎样的要求？ 提示 提高单位时间内的产量以及原料的利用率，提高合成氨的效益。 【名师点拨】 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 有利于加快反应 速率的控制 有利于平衡移动条 件的控制 综合分析结果 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、 减 小生成物浓度 不断补充反应物、及时 分离出生成物 压强 高压(
9、有气体参加) V0 低压 兼顾速率和平衡、选取 适宜的压强 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 取催化剂 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂，考虑 催化剂活性与温度关系 【典例】 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 解析 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。 答案 B 变式训练 对于可
10、逆反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)， 下 列说法中正确的是( ) A.达到平衡后，加入 N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的 浓度比原平衡的小 B.达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了 NH3的产率 C.达到平衡后，缩小容器体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢 气的转化率 D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减 小 解析 达到平衡后，加入 N2，平衡正向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增 大，而 N2的浓度比原平衡的大；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增 大，但平衡逆向移动
11、，不利于 NH3的生成；达到平衡后，缩小容器体积即增大 压强，正、逆反应速率都增大，平衡正向移动，又有利于提高 H2的转化率；加 入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。 答案 C 1.工业合成氨的正反应是放热反应， 下列关于反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g) 的图像中，错误的是( ) 解析 合成氨的正反应是放热反应，升温，正、逆反应速率都增大，但逆反应速 率增大的程度大，A 正确；在 T1时 NH3%最大，达到平衡，再升高温度，平衡 逆向移动，NH3%缩小，B 正确；低温下达到平衡，NH3%大，C 错误；增大压强， 平衡向右移动，NH3%增大，D 正确。 答
12、案 C 2.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.500 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 A 项中加入催化剂只能增大反应速率，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体体积减小的 反应，所以增大压强，使平衡正方向移动，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。500 高温较室温不利于平衡向合成氨方向
13、移动。采用 500 既考虑到温 度对速率的影响，更主要的是 500 左右催化剂活性最大。D 项中恒温恒容下充 He，惰性气体 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。 答案 B 3.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 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
14、铁触媒活性最好时的温度在 700 K 左右，故最有 前途的研究方向是研制低温催化剂。 答案 C 4.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 kJ mol 1。下表为不同温度和压强下 SO 2的转化率(%) p/Pa T/ 1105 5105 1106 5106 1107 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 (1)从理论上分析，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400 500 作 为 操 作
15、温 度 ， 其 原 因 是 _。 (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)低温、高压 (2)该温度是催化剂的活性最强的温度，选择此温度可提 高反应速率， 缩短反应达到平衡所需要的时间 (3)因为在常压下， 400500 时，SO2的转化率已
16、经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成 本和能量消耗，不经济 (4)增大氧气的浓度，使平衡向生成 SO3的方向移动， 提高 SO2的转化率 (5)减少对环境的污染 课时作业 基 础 练 1.合成氨工业上采用循环操作主要是因为( ) A.加快化学反应速率 B.能提高氨的平衡浓度 C.降低氨气的沸点 D.提高氮气和氢气的利用率 答案 D 2.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应： N2(g)3H2(g)2NH3(g)，673 K，30 MPa 下，n(NH3)和 n(H2)随时间变化 的关系如图所示。下列叙述正确的是( ) A.点 a 的正反应速率比点
17、b 的小 B.点 c 处反应达到平衡 C.点 d(t1时刻)和点 e(t2时刻)处 n(N2)不一样 D.其他条件不变，773 K 下反应至 t1时刻，n(H2)比上图中 d 点的值大 解析 a 点的反应物浓度大于 b 点，所以反应速率 a 更快；c 点的时候各种物质 的浓度仍在变化，并没有达到平衡；而 d、e 两点时达到平衡，浓度不再变化； 升高温度，平衡逆向移动，氢气的浓度变大。 答案 D 3.合成氨反应通常控制在 2050 MPa 的压强和 500 左右的温度，且进入合成 塔的氮气和氢气的体积比为 13，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应 所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示： 2
18、0 MPa 60 MPa 500 19.1 42.2 而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为 15%，这表明( ) A.表中所测数据有明显误差 B.生产条件控制不当 C.氨的分解速率大于预测值 D.合成塔中的反应并未达到平衡 解析 表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不 可能对生产条件控制不当；平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，因此答案 选 D。 这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题， 并未让合成氨反应达到平衡， 因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。 答案 D 4.已知可逆反应：aA(g)bB(？)cC(g) H0(B 物质的状态未确定)。 关
19、于该反应的描述正确的是( ) A.加压若平衡正向移动，则 ac B.加入一定量的 B，平衡一定正向移动 C.缩小容器的体积，各物质的浓度一定增大 D.升高温度，平衡一定正向移动，混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定 解析 A.增加压强，对于反应前后气体的系数和变化的反应来说，会引起平衡的 移动，但是 B 的状态不确定，所以移动方向无法判断，故 A 错误；B.加入一定 量的 B，若 B 是固体或液体，平衡不移动，故 B 错误；C.缩小容器的体积，对 于固体物质来说，浓度不变，即缩小容器的体积，各物质的浓度不一定增加，故 错误；D.升高温度，平衡一定向吸热方向移动，即正向移动，混合气体的平均摩 尔
20、质量等于质量和物质的量的比值，但是 B 的状态以及 a、b、c 不确定，所以 混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定，故 D 正确。 答案 D 5.一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应： 下列说法正确的是( ) A.达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深 B.单位时间内生成 n mol S2Cl2，同时生成 2n mol SCl2时，反应达到平衡状态 C.达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅 D.单位时间内有 n mol Cl2被还原，同时氧化生成 n mol Cl2时，平衡向正反应方 向移动 解析 抽出 Cl2，因容积可变，Cl2浓度不变平衡不移动，混合液颜色不变，A 项
21、 错误；B 项正确；降温，平衡正向移动，混合液颜色变深，C 项错误；n mol Cl2 被还原，同时氧化生成 n mol Cl2即 v正v逆，平衡不移动，D 项错误。 答案 B 6.硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧 化反应 2SO2O22SO3的说法中正确的是( ) A.只要选择适宜的条件，SO2和 O2就能全部转化为 SO3 B.该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零 C.在达到平衡的体系中， 充入由 18O 原子组成的 O2 后， SO2中 18O 含量减少， SO3 中 18O 含量增多 D.在工业合成 SO3时，要同时考虑反应速率
22、和反应能达到的限度两方面的问题 解析 反应为可逆反应，SO2和 O2不能全部转化为 SO3，A 错；达到平衡后反应 不停止，正、逆反应速率相等，B 错；达到平衡后充入由 18O 原子组成的 O2， 平衡向正方向移动，SO3中 18O 含量增多，因为反应可逆，SO2 中 18O 含量也增 多，C 错、D 正确。 答案 D 7.在容积不变的密闭容器中发生反应： 2SO2(g)O2(g) 2SO3(g) H(a)，则 1(a)(b)。 答案 A 10.下面是合成氨的简易流程示意图： 沿 x 路线回去的物质是( ) A.N2和 H2 B.催化剂 C.N2 D.H2 答案 A 11.下表的实验数据是在不
23、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)投料 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_(填“正反 应”或“逆反应”)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)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及 500 对反应速率的影 响 ， 还 采 取 了 一 些 措 施 。 请 分 别 写 出 其 中
24、 的 一 个 措 施 ： _。 解析 (1)表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动， 则正反应为放热反应。 (2)由反应 N2(g)3H2(g)2NH3(g) H”“2，压强增大，平衡 正向移动；500 高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动；采用 500 既考虑 到温度对速率的影响，更主要的是 500 左右催化剂活性最大。催化剂只改变反 应速率，不改变平衡移动；生成氨液化并分离出来，减少体系中氨的浓度，平衡 正向移动。(2)采用更大压强，需要使用承受更大压强的设备，增加了生产成本， 不经济。(3)在甲容器中，反应的 N2为 2 mol甲，则有 N2（g）3H2（g）2NH3（g） 起始（mol L 1） 130 转化（mol L 1） 甲3甲2甲 平衡（mol L 1） 1甲33甲2甲 K （2甲）2 （1甲）（33甲）3 42甲 27（1甲）4 甲与乙相比，相当于在乙平衡的基础上增大压强，平衡正向移动，即甲容器中的 平衡正向移动程度更大，所以 甲乙。 答案 (1)BC (2)采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备，从而增加生产成本(其他合理 答案：也可) (3) 42甲 27（1甲）4
