合成氨条件的选择.docx

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合成氨条件的选择

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教学内容：

合成氨条件的选择

【基础知识精讲】

1.合成氨反应的理论应用

合成氨反应原理：

N2+3H2

2NH3（正反应为放热反应）

反应特点是：

①可逆反应；②气体总体积缩小的反应；③正反应为放热反应.

根据上述反应特点，从理论上分析：

（1）使氨生成得快的措施（从反应速率考虑）：

①增大反应物的浓度；②升高温度；③加大压强；④使用催化剂.

（2）使氨生成得多的措施（从平衡移动考虑）：

①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强.

2.合成氨条件的选择

在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的适宜条件的选择：

浓度：

一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，不加大某种反应物的浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用.按1∶3循环的气体体积比，仍会保持1∶3.

温度：

合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，所以温度不宜太低，在500℃左右为宜，而且此温度也是催化剂的活性温度范围.

压强：

合成氨是体积缩小的可逆反应，所以压强增大，有利于氨的合成，但压强过高时，对设备的要求也就很高，制造设备的成本就高，而且所需的动力也越大，应选择适当的压强，一般采用2×107Pa～5×107Pa.

催化剂：

用铁触媒作催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡时间.

可将合成氨的适宜条件归纳为：

①增大氨气、氢气的浓度，及时将生成的氨分离出来；②温度为500℃左右；③压强为2×107Pa～5×107Pa；④铁触媒作催化剂.

3.合成氨的工业简述

合成氨工业的简要流程图：

（1）原料气的制取.

N2：

将空气液化、蒸发分离出N2，或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2.

H2：

用水和焦炭（或煤、石油、天然气等）在高温下制取，如

（2）制得的N2、H2需净化、除杂，再用压缩机压缩至高压.因为若有杂质存在可使催化剂失去催化作用，也称使催化剂“中毒”.

（3）在适宜条件下，在氨合成塔中进行合成.

（4）氨的分离：

经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将未反应的H2、N2循环送入合成塔，使其充分利用.

【重点难点解析】

重点：

理解应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件.

难点：

根据各种影响反应进行的因素选取反应综合条件.

1.巧用假设，灵活解题

例如：

密闭容器中，N2+3H2

2NH3在500℃时达到平衡，问：

（1）将H2、NH3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?

（2）将N2、NH3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?

分析：

浓度的改变是反应物和生成物部分发生而改变，因而平衡的移动就较难判断.而巧用假设就较易解答.

（1）将不变浓度的N2视为液体（常数），将浓度改变的H2、NH3视为气体，得出等效平衡N2（l）+3H2（g）

2NH3（g），将H2、NH3浓度同时增大1倍，相当于上述等效平衡压强增大到原来的2倍，所以等效平衡向正反应方向移动，原平衡同向移动.也可利用平衡常数K来判断.

（2）同理分析可得，平衡向逆方向移动.

又例如，平衡反应2NO2

N2O4在体积不变的密闭容器中进行，在其它条件不变时，若向容器中分别增加NO2和N2O4，

的比值如何变化?

分析：

先运用上节所介绍的等效假设，增加NO2或N2O4时，压强不变，平衡时比值不变.再压缩时，假设平衡不移动，比值也不变.现实际上平衡右移，所以，无论是增加NO2还是增加N2O4，都有

比值减小.

2.如何选择适宜条件，使平衡向有利的方向移动?

应从以下几方面观察考虑：

①反应前后气体物质的计量数；②反应热情况；③反应速率；④转化率（增加廉价物质的量，提高价格贵重原料的利用率）

例如，在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：

2SO2+O2

2SO3（正反应放热）

已知常压下平衡混合气体中SO3体积分数为91%，试回答：

（1）生产中常用过量的空气是为了；

（2）加热到400°～500°是由于；

（3）压强采用，原因是；

（4）尾气中的SO2必须回收，是为了.

此题根据题示信息和以上提出的要考虑的几个方面，不难分析作答.

3.反应物用量的改变对平衡转化率的影响

若反应物只有一种，如aA（g）

bB（g）+cc（g），增加A的量，平衡向正反应方向移动，但该反应物A的转化率的变化与气体物质的系数有关.

（1）若a=b+c，A的转化率不变；

（2）若a＞b+c，A的转化率增大；

（3）若a＜b+c，A的转化率减小.

若反应物不止一种时，如：

aA（g）+bB（g）

cc（g）+dD（g）

（1）若只增加A的量，平衡正向移动，而A的转化率减小，B的转化率增大.

（2）若按原比例同倍数地增加反应物A和B的量，则平衡向正反应方向移动.而反应物转化率与气体反应系数有关.如a+b=c+d，A、B转化率都不变；如a+b＜c+d，A、B转化率都减小；如a+b＞c+d，A、B转化率都增大.

4.如何正确区别转化率与物质所占百分含量的关系?

例题：

如下图所示，是表示外界条件（温度、压强）的变化对下列反应的影响：

L（固）+G（气）

2R（气）（正反应为吸热反应）在图中，Y轴是指（）

A.平衡混合气中G的百分含量B.平衡混合气中R的百分含量

C.G的转化率D.L的转化率

分析：

根据题中给出的反应式可知，该反应是一个气体体积增大的吸热反应.

根据图形曲线可知，Y所指的量应该是：

“随温度的升高而减小”以及“随压强的增大而增大”者，应由此来判断符合题意的选项.

升温使题中的平衡反应右移，所以R%增大，G%减少，L和G的转化率都增高，故只有选项A符合要求.

增大压强，使平衡左移，R%减少，G%增大，也是A符合要求，所以Y轴是指平衡混合气体中G的百分含量.

本题答案：

A

【难题巧解点拨】

例1：

在一定温度、压强和催化剂存在时，把N2和H2按1∶3体积比混合，当反应达到平衡时，混合气中NH3的体积分数为25%，求N2的转化率.

分析：

此题可用常规三行式解法，也可用差量法求解.这里，用整体思维方法求解.

设平衡时混合气为100体积，显然NH3为25体积.由于N2和H2的混合比正好为化学计量数之比，1∶3投料，1∶3转化，转化率也应相同.列式分析如下：

N2+3H3

2NH3

平衡时7525

起始时75+500

转化率：

αN2=αH2=

×100%=40%

同学们可用其它解法予以对照.

例2：

（高考科研题）在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%.若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是（）

A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2

分析：

设起始时H2为amol，N2为bmol，平衡时NH3为xmol，则

3H2+N2

2NH3

起始时ab0

平衡后a-3x/2b-x/2x

因为，在相同条件下，气体的物质的量之比等于体积比

据题意可得方程：

=25%.化简得

=1/5，故正确答案为A.

【评析】：

本题是一道简单的计算题，关键是根据题意列出方程，但必须注意，题目并未规定n（H2）∶n（N2）=3∶1，且反应是可逆的.否则，就会导致错选D.

【另解】利用例1的解题思想，这里无论起始投入按何种比例，仍可设平衡时总体积为100L，则NH3为25L，H2和N2共75L.按反应化学计量数关系，反应前原反应物体积应为（75+50）L，反应后缩小的体积为（125-100）L，所求比值为（125-100）∶125＝

.

例3：

工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素.已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生H2和CO2，H2是合成氨的原料，CO2供合成尿素用.若从充分利用原料的角度考虑，选用（填序号）物质作原料较好.

A.COB.石脑油（C5H12、C6H14）

C.CH4D.焦炭

作出这种选择的依据是.（杭州市联考试题）

分析：

根据反应：

N2+3H2

2NH3，CO2+2NH3

CO（NH2）2+H2O，若要充分利用原料，显然要求原料与水反应产生的H2和CO2物质的量之比等于或接近于3∶1时，上述反应趋于恰好反应，原料得以充分利用.根据题示信息：

C+2H2O＝CO2+2H2（2∶1），CO+H2O＝CO2+H2（1∶1）

CH4+2H2O＝CO2+4H2（4∶1），C5H12+10H2O＝5CO2+16H2（3.2∶1），故石脑油的利用率最高，答案为B.

【评析】：

若要求充分利用原料，通常有两种途径：

（1）所投入的原料物质的量之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比，使原料恰好反应；

（2）增加廉价物质的量，使价格贵重物质充分利用，亦即提高价格贵重的原料利用率.

【典型热点考题】

例1：

在氮气、氢气合成氨的合成塔中，进入的气体按N2与H2体积比为1∶3，塔中的压强为1.62×107Pa，又知从塔中出来的气体中，NH3占25%（体积百分组成）.求：

（1）从合成塔出来的混合气体中，N2和H2的体积百分组成.

（2）合成塔出来气体的压强.

分析：

（1）N2+3H2

2NH3

反应中N2与H2的体积比（同于物质的量之比）和原料混合气体中的比值相同，故从塔中出来的气体中N2∶H2仍为1∶3.

即V（N2）=（1-25%）×

×100%=18.75%

V（H2）=（1-25%）×

×100%=56.25%

（2）N2+3H2

2NH3

始起（mol）130

平衡（mol）1-x3-3x2x

×100%=25%，x=0.4

即1-x=0.6,3-3x=1.8,2x=0.8

∴n2=3.2mol，而n1=4mol

T不变时p1∶p2=n1∶n2

则p2=p1·

=1.62×107×

=1.30×107（Pa）.

【评析】：

巧用原料气配比和反应进行特点以及阿伏加德罗定律解题.此题属合成氨工业生产基本的理论计算.

例2：

（1997年全国高考题）把氢氧化钙放入蒸馏水中，一定时间后反应达到如下平衡：

Ca（OH）2

Ca2++2OH-

加入以下溶液，可使Ca（OH）2减少的是（）

A.Na2S溶液B.AlCl3溶液C.NaOH溶液D.CaCl2溶液

分析：

要使Ca（OH）2的量减少，需使平衡Ca（OH）2（固）

Ca2++2OH-向右移动，而减少Ca2+的浓度或OH-的浓度可使平衡右移.A、C溶液呈碱性，能增大OH-的浓度，D能增大Ca2+的浓度，即A、C、D均使平衡左移；只有B中的Al3+能结合OH-，使平衡右移.答案为B.

【评析】勒夏特列原理除适用于化学平衡外，同样可应用在溶解平衡、电离平衡、水解平衡中.

例3：

（1998年上海高考题）牙齿表面由一层硬的、组成为Ca5（PO4）3OH的物质保护着，它在唾液中存在下列平衡：

Ca5（PO4）3OH（固）

5Ca2++3PO43-+OH-

（1）进食后，细菌和酶作用于食物，产生有机酸，这时牙齿就会受到腐蚀，其原因是.

（2）已知Ca5（PO4）3F（固）的溶解度比上面的矿化产物更小，质地更坚固.当牙膏中配有氟化物添加剂后能防止龋齿的原因是（用离子方程式表示）.

（3）根据以上原理，请你提出一种其他促进矿化的方法.答：

.

分析：

（1）H++OH-＝H2O，使平衡向脱矿方向移动.

（2）依据信息，F-替换平衡中的OH-，生成溶解度更小、质地更坚固的Ca5（PO4）3F,5Ca2++3PO43-+F-=Ca5（PO4）3F↓.（3）促进矿化的方法之一是使上述平衡向左移动.一种可行的方法是加Ca2+，使平衡向左移动.

【评析】本题主要考查运用勒夏特列原理解决化学实际问题的能力.题目新颖，但答案就在题干中，关键在于认真理解题意，并能和所学知识联系起来.

【同步达纲练习】

1.氨的合成反应为N2+3H2

2NH3（正反应放热），在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是（）

A.低温、高压、催化剂B.高温、高压

C.尽可能的高温、高压D.适当温度、适当高压、催化剂

2.下列事实中，不能用勒夏特列原理解释的是（）

A.由H2和N2合成氨时，在高压下进行是有利的

B.升高盛放水的密闭容器中的温度，水的蒸气压就增大

C.合成氨在高温下进行，加入催化剂使反应速率增加，这对氨的合成有利

D.降低压强，使N2O4的分解率增高

3.以下事实不能用勒夏特列原理解释的是（）

A.温度过高对合成氨不利

B.合成氨在高温下进行是有利的

C.合成氨在高温下进行和加入催化剂都能使反应速率加快

D.在合成氨时，氮气要过量

4.工业合成氨的反应是在500℃左右进行的，主要原因是（）

A.500℃时此反应速率最快

B.500℃时氨的平衡浓度最大

C.500℃时氨的转化率最高

D.500℃时该反应催化剂的催化活性最好

5.下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是（）

A.H2的消耗速率与NH3的生成速率之比为3∶2

B.体系中混合气体的平均相对分子质量不再改变

C.N2的生成速率与NH3的生成速率之比为1∶2

D.密闭容器中H2、N2、NH3的物质的量之比为3∶1∶2

6.在N2+3H2

2NH3+Q的反应中，下列叙述不正确的是（）

（1）加压，使正反应速率加快，逆反应速率减慢；平衡向正反应方向移动

（2）升高温度，使正反应速率变慢、逆反应速率加快，平衡向逆反应方向移动

（3）使用催化剂，既加快正、逆反应速率，又有利于平衡向正反应方向移动

（4）温度越低，单位时间内氨的产量越高

（5）增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动，反应物的利用率一定提高

A.只有

（1）

（2）B.只有

（1）

（2）（3）

C.只有（4）（5）D.全不正确

7.NH3加热分数为N2和H2，在同温同压下，测得分解后气体的密度为分解前的2/3，则氨的分解率为（）

A.50%B.60%C.40%D.80%

8.设温度为T，压强为p，容器体积为V，合成氨反应达平衡状态时，如下操作平衡不发生移动的是（）

A.恒定T、p时，充入NH3B.恒定T、V时，充入N2

C.恒定T、p时，充入NeD.恒定T、V时，充入He

9.在合成氨反应中N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）△H＜0，反应已达平衡，若v（N2）、v（H2）、v（NH3）表示为正反应速率，v′（N2）、v′（H2）、v′（NH3）表示为逆反应速率，则下述不正确的是（）

A.此时：

v（N2）＝3v′（H2）B.缩小体积：

v（H2）＜

v′（NH3）

C.升温：

2v（N2）＜v′（NH3）D.分离出部分氨：

3v（N2）＝v（H2）

10.下列说法正确的是（）

A.由N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）知，若将1molN2和3molH2混合，在催化剂存在下，于500℃时发生反应，能生成2molNH3

B.一定温度下，在一容积不变的容器内进行合成氨的反应，一段时间后，其压强不再改变，可认为已达平衡状态

C.合成氨反应达平衡后，缩小容器体积，NH3的浓度增大，平衡常数K值也增大

11.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）

A.延长反应时间B.充入过量H2

C.升高温度D.充入过量N2

12.某容器中加入N2和H2，在一定条件下，N2+3H2

2NH3达到平衡时，N2、H2、NH3的浓度分别是3mol/L、4mol/L、4mol/L.则反应开始时H2的浓度是（）

A.5mol/LB.10mol/LC.8mol/LD.6.7mol/L

13.合成氨中使用铁触媒的作用是（）

A.降低反应温度B.提高氨气的纯度

C.加快反应速率D.提高平衡时氨气的浓度

14.合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：

CO+H2O（g）

CO2+H2+43kJ.下列措施中，能提高CO转化率的是（）

A.增大压强B.降低温度

C.增大CO浓度D.增大水蒸气的浓度

15.对于可逆反应：

2Cl2+2H2O（g）

4HCl+O2（正反应吸热）

当反应达到平衡后：

（1）扩大容器体积，H2O的物质的量；

（2）加入O2，Cl2的浓度；

（3）增加压强，Cl2的物质的量；

（4）加入Cl2，HCl的浓度；

（5）升高温度，H2O的物质的量；

（6）加入正催化剂，O2的浓度；

（7）加入氦气，HCl的物质的量.

16.合成氨原料气中氮气制备的方法之一为，方法之二为；另一原料气氢气的制取化学方程式为.

17.298K时，合成氨反应的热化学方程式为N2（g）+3H2（g）

2NH3（g）+92.4kJ，在该温度下，取1molN2和3molH2放在一密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，测得反应放出的热量总小于92.4kJ，其原因.

【素质优化训练】

1.在密闭容器中加少量水，常压下通氨气至饱和，则会建立下列平衡：

NH3+H2O

NH4++OH-，若要使该反应中的OH-离子浓度增大，应采用的措施是（）

A.加水B.加NH4Cl晶体

C.常压下继续通入氨气D.将氨气的压强增大1倍后再通入密闭容器中

2.反应PCl5（g）

PCl3（g）+Cl2（g）……①

2HI（g）

H2（g）+I2（g）……②

2NO2（g）

N2O4（g）……③

在一定条件下，达到化学平衡时，反应物的转化率均是a%.若加入一定量的各自的反应物，则转化率（）

A.均不变B.均增大

C.①增大②不变③减小D.①减小②不变③增大

3.在某容积一定的密闭容器中，可逆反应A（g）+B（g）

xc（g），符合下列下图像Ⅰ所示关系.由此推断对下图Ⅱ的正确说法是（）

A.p3＞p4Y轴表示A的转化率

B.p3＜p4Y轴表示B的百分含量

C.p3＞p4Y轴表示混合气体的密度

D.p3＞p4Y轴表示混合气体的平均摩尔质量

III

4.可逆反应A（g）+B（g）

2c（g）在不同温度下经过一定时间，混合物中C的体积分数与温度的关系如图所示.那么：

（1）由T1和T2变化时，正反应速率逆反应速率（填＞、＜、＝）；

（2）由T3向T4变化时，正反应速率逆反应速率（填＞、＜、＝）；

（3）反应在温度下达到平衡；

（4）此反应的正反应为热反应.

5.可逆反应A（g）+3B（g）

2c（g），在反应过程中C的百分含量c%与温度关系如图所示，请回答

（1）正反应是反应（放热、吸热）.

（2）t＜500℃时，c%逐渐增大是因为.

（3）t＞500℃时，c%逐渐减小是因为.

6.合成氨厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮气的转化率.某工厂测得合成塔中N2、H2混合气体的密度为0.5536g/L（标况下测定），从合成塔出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L.求该合成氨厂N2的转化率.

7.以H2、CO为主要组成，供化学合成用的一种原料气叫做“合成气”.若用天然气为原料制合成气，可用“天然气蒸气转化”的反应：

CH4（g）+H2O（g）

CO（g）+3H2（g）-Q

生产时主要条件是温度、压强和水蒸气的配比，另外还要有适宜的催化剂.合成气里的H2可用于合成氨，CO最终分离出来后可用于合成甲醇、醋酸、乙二醇等，即新兴起的以分子中只含有一个碳原子的化合物为原料来合成化工产品的“C1化学”.据此回答以下两题：

（1）天然气蒸气转化的主要反应进行时，有关叙述中不正确的是（）

A.反应速率为3v（H2）=v（CH4）

B.温度为800℃～820℃，若超过1500℃反而不利

C.工业上为使平衡正向移动，要用过量的天然气

D.在加压的条件下，正反应速率会增大

（2）目前用合成气生成甲醇时，采用Zn-Cr催化剂，其反应为：

CO（g）+2H2（g）

CH3OH（g）+Q

有关叙述正确的是（）

A.达到平衡时，容器内的总压保持不变

B.合成甲醇的反应可以认为是CO的氧化反应

C.根据勒夏特列原理，合成甲醇的反应要在加压和维持相当高的温度下进行，以利于提高单位时间内的产量

D.甲醇与CO能在一定条件下化合生成醋酸是因CO插入CH3OH中形成C＝O键而成

8.有些反应从表面上看不能进行.如：

（1）KClO4+H2SO4

HClO4+KHSO4

（2）Na+KCl

NaCl+K

（3）Mg+RbCl

MgCl2+Rb（4）KCl+NaNO3

NaCl+KNO3

而实际生产中恰被用来制取带横线的物质.这4个反应中利用的反应原理相同的是，其原理是，不相同的原理是.

【生活实际运用】

1.有文献报导：

硫在空气中燃烧时，产物中的SO3约占5%～6%（体积），而硫在纯氧中燃烧时，其产物中的SO3约占2%～3%（体积），你能解释这一现象吗?

试试看!

〔提示：

S+O2

SO2放出热量如何影响化学平衡2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）+Q〕

2.反应CO（g）+

O2（g）

CO2（g）在1600℃时，K＝1×104.经测定汽车尾气里的CO和CO2的浓度分别为4.0×10-5mol·L-1和4.0×10-4mol·L-1.若在汽车的排气管上增加一个1600℃的补燃器，并使其中的O2浓度始终保持4.0×10-4mol·L-1，求CO的平衡浓度和补燃器转化率.

3.在上题的系统里，同时发生反应：

SO2（g）+

O2（g）

SO3（g）

K＝20，经测定，汽车的尾气原有SO2气体的浓度为2×10-4mol·L-1.问SO3的平衡浓度?

4.某农科所研究人员把棚内空气中的CO2浓度提高3～5倍，并将O2浓度尽量减少，结果取得良好的增产效果.从反应：

得到的启发是：

.

5.合成氨工业用氢气和氮气在催化剂作用下直接合成，右表表示在一定温度和压强下达到动态平衡时氨的体积分数.

P（atm）

NH3

t℃

100

200

300

600

100

200

81.5

86.4

89.9

45.4

98.8

300

52.0

64.2

71.0

84.2

92.6

400

25.1

38.2

47.0

65.2

79.8

500

10.6

19.1

26.4

42.2

57.5

其中

∶

＝1∶3.如图所示装置是一透热性很好的坚固容器，活塞C可左右移动，其总体积为44.8L，现将400℃、300大气压的H233.6L和400℃，300大气压的N211.2L充入容器中，当两者反应达到动态平衡时，若保持混合气体的压强仍为400℃、300大气压，求：

（1）容器是向外界放热，还是吸热?

（2）充入的N2的物质的量是多少?

充入的H2转化率是多少?

（3）活塞C要向左侧移动的距离与容器全长之比是多大?

参考答案：

第四节合成氨条件的选择

【同步达纲练习】

1.D2.C3.BC4.D5.BC6.