1、2021届新高考化学冲刺复习向空气要面包 合成氨中的化学问题合成氨的发展我国合成氨工业的发展是在20 世纪30 年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。合成氨的应用制尿素 制纯碱制硝酸制冷剂合成氨的反应历程N2 3H2 2NH
2、3 全世界年产量约 2.2 亿吨，年均销售额超过 1000 亿美元是全世界产量第二大的化学品生产它的过程中，年均消耗能源 3.5 亿吨，占全球能源供应总量的 2%，排放 CO2超过 4 亿吨，占全球 CO2排放总量的 1.6%1918年，1931年和2007年诺贝尔化学奖获得者是关于其生产工艺的改进方法现代人体内约50%的氮最终来自于它无色、有刺激性气味可作制冷剂 工业合成氨的原理是N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4 kJmol-1,从速率角度分析,反应需要在较高(填“较高”或“较低”)温度下进行,而从提高反应物转化率的角度分析,反应需要在低温、高压(从压强和温度方面回答)条
3、件下进行,原因是合成氨的反应为正反应为气体体积减小的放热反应。影响因素:(1)增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等。(2)提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。合成氨反应：合成氨反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知。已知298 K时：时：H92.4 kJmol1，S198.2 Jmol1K1。(1)可逆性：反应为可逆性：反应为可逆反应。反应。(2)体积变化：正反应是气体体积体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。的反应。(3)焓变：焓变：H0，熵变：，熵变：S0。(4)自发性：常温自发性：常温(298 K)下，下，
4、HTS0，能自发进行。，能自发进行。一、合成氨反应的限度、速率一、合成氨反应的限度、速率1合成氨反应的特点合成氨反应的特点2提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较条件提高反应速率提高平衡转化率综合结果压强高压高压高压温度高温低温兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性催化剂使用无影响使用浓度增大反应物浓度增大反应物浓度，降低生成物浓度增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度工业生产中选择适宜生产条件的原则有利于增大反应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加合适
5、的催化剂不需要加合适的催化剂外界条件有利于增大反应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压强高压(有气体参加)反应后气体体积减小的反应高压在设备条件允许的前提下,尽量采取高压反应后气体体积增大的反应低压兼顾速率和平衡,选取适宜的压强（一）压强：二、工业合成氨的适宜条件二、工业合成氨的适宜条件合成氨厂一般采用的压强为10 MPa30 Mpa。【思考1】合成氨时压强越大越好,为何不采用比30 MPa更大的压强?提示:压强越大,对材料的强度和设备的制造要求也越高,需要的动力也越大,这会加大生产投资,可能降低综合经济
6、效益。压强的选择压强的选择成本与效益的博弈成本与效益的博弈（二）温度：一般采用的温度为400500。【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率,但为何未采用更低的温度?温度的选择温度的选择快与少、慢与多的权衡快与少、慢与多的权衡（三）催化剂：目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400500进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。合成氨催化剂的选择德国化学家博施据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了
7、大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。2016 年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。（四）浓度：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不
8、经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。【思考3】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么?提示:使化学平衡向生成氨的方向移动。二、工业合成氨的适宜条件二、工业合成氨的适宜条件外部条件工业合成氨的适宜条件压强根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(1030 MPa)温度适宜温度，400500 催化剂使用铁触媒做催化剂浓度N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去 工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度
9、选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。要考虑设备的要求和技术条件。三、合成氨的生产流程（一）生产流程（二）流程分析1、原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性2、压缩机加压：增大压强3、热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。4、冷却
10、：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。5、循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。四、影响化学反应进行的两个因素（一）参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素（二）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件五、化学反应的调控1、定义：就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。2、考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化
11、学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。3、控制反应条件的目的、控制反应条件的目的(1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。(2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继
12、续甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。进行。4、控制反应条件的基本措施、控制反应条件的基本措施(1)控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强压强(或浓度或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。(2)提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强强(或浓度或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。等改变可逆反应
13、的限度，从而提高转化率。(1)(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。()(2)(2)合成氨反应中合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。()(3)(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。()(4)(4)充入的充入的N2N2越多越有利于越多越有利于NH3NH3的合成。的合成。()()(5 5)恒容条件下充入稀有气体有利于恒容条件下充入稀有气体有利于NH3NH3的合成。的合成。()()(6 6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自
14、发进行。工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。()()2 在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:2SO2(g)+O2(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(%):1105 Pa1106 Pa5106 Pa1107 Pa450 97.5%99.2%99.6%99.7%550 85.6%94.9%97.7%98.3%压强温度转化率1.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?2.在实际生产中,选定400500 作为操
15、作温度,其原因是什么?3.根据上表中的数据分析,制取SO3时为什么不采用高压?4.在生产中,通入过量空气的目的是什么?5.尾气中的SO2必须回收的目的是什么?提示:常压、450、催化剂。提示:兼顾速率和平衡,且在此温度下催化剂的活性最高。提示: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,且采用高压时会增大设备的成本,得不偿失。提示:增大反应物O2的浓度,提高SO2的转化率。提示:防止污染环境;循环利用,提高原料的利用率。有关合成氨工业的说法中,正确的是()A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,
16、所以总体来说氨的产率很高C.合成氨工业的反应温度控制在400500,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10 MPa30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大解析:A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400500 主要是为了兼顾速率与平衡,且500 时催化剂活性最大;D项,压强采用10 MPa30 MPa主要是考虑对设备材料的要求。B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2SO2+O2 2SO3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SO3B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反
17、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和反应能达到的限度两方面的问题D解析:该反应为可逆反应,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,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错。有平衡体系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)H0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是()A.高温,高压B.适宜温度,高压,催化剂C.低温,低压D.高温,高
18、压,催化剂 解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。B6.工业上合成氨一般采用400500 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500 左右活性最大A.只有B.只有C.D.只有D7.利用原料气在合成塔中合成NH3,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B 解析:合成氨反应是气体体积减小的放热反应,据勒夏特列原理可知,高压利于提高N2的转化率。8.NH3是一种重要的工
19、业原料。下列关于合成氨的说法中,不正确的是()A.工艺涉及催化技术B.工艺涉及高温高压技术C.原料之一的氮气来自空气D.从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为100%D 解析:合成氨反应为可逆反应,N2和H2的转化率小于100%,则从合成塔出来的气体中,氨气的体积分数小于100%。9.在一定条件下,可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是()A.加催化剂,v(正)、v(逆)都发生变化且变化的倍数相等B.加压,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数C.降温,v(正)、v(逆)都减小,且v(正)减
20、小的倍数小于v(逆)减小的倍数D.等容条件下加入氩气,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数D 解析:等容条件下加入氩气,反应物和生成物浓度均不变,则v(正)、v(逆)均不发生变化,且v(正)=v(逆)。10.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D 解析:工业上合成M可能采用常压,如H2SO4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;温度升高,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。
