高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第4节化学反应条件的优化工业合成氨学案鲁科版选修4文档格式.docx

高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第4节化学反应条件的优化工业合成氨学案鲁科版选修4文档格式.docx

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催化剂

使用

无影响

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

合成氨反应条件和选择依据

提高H2转化率的措施有降温、加压、增大N2浓度、降低NH3浓度。

例1

　可逆反应3H2（g）＋N2（g）2NH3（g）　ΔH<

0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是（　　）

A.升高温度，减小压强，增加氮气

B.降低温度，增大压强，加入催化剂

C.升高温度，增大压强，增加氮气

D.降低温度，增大压强，分离出部分氨

答案　D

解析　要使氢气的转化率增大，需使平衡向正反应方向移动，根据合成氨反应的特点，由于正反应为放热反应，需降低温度；

正反应为气体总体积减小的反应，需增大压强；

另外还可通过及时分离出部分氨气，减小生成物浓度的方法，促使平衡右移，故D项正确。

考点　工业合成氨反应条件的选择

题点　外界条件对合成氨平衡移动的影响

例2

　对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，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

答案　C

解析　对于化学反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），催化剂只能降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。

高压能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。

题点　外界条件对合成氨影响的综合

二、工业合成氨的适宜条件

1.工业合成氨的适宜条件

外部条件

工业合成氨的适宜条件

根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强（1×

107Pa～1×

108Pa）

适宜温度，700K左右

使用铁触媒做催化剂

N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去

2.问题讨论

（1）压强：

目前我国合成氨厂一般采用的压强在1×

107～1×

108Pa，不采用更高压强的理由是：

压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。

（2）温度：

升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的理由是

①合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率降低。

②700_K催化剂活性最大，升高温度，催化剂活性减弱。

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，同时还要考虑设备的要求和技术条件。

例3

　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

答案　B

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。

考点　工业合成氨条件的选择

题点　外界条件对工业合成氨影响的综合

知识总结　合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离NH3后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。

例4

　已知2SO2（g）＋O2（g）

2SO3（g）　ΔH<

0的实验数据如下表：

不同压强下SO2的转化率（%）

1×

105Pa

5×

106Pa

107Pa

450℃

97.5

98.9

99.2

99.6

99.7

550℃

85.6

92.9

94.9

97.7

98.3

（1）应选择的温度是________，理由是__________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）应采用的压强是________，理由是_________________________________________

（3）在合成SO3的过程中，不需要分离出SO3的原因是____________________________。

（4）生产中通入过量空气的目的是______________________________________________

答案　

（1）450℃　该反应是放热反应，升高温度，转化率降低；

在450℃反应物转化率较高

（2）1×

105Pa　常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但需要动力更大，对设备的要求更高

（3）SO2的转化率比较高，达到平衡后的混合气体中SO2的余量很少，故不需要分离SO3

（4）增大O2浓度、提高SO2的转化率

考点　化工生产适宜条件的选择

题点　合成氨适宜条件选择依据的应用

例5

　CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g）。

CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。

该反应ΔH________（填“>

”或“<

”）0。

实际生产条件控制在250℃、1.3×

104kPa左右，选择此压强的理由是____________________________。

答案　<

　在250℃、1.3×

104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低

解析　从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<

0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在压强1.3×

104kPa下，CO的转化率已经很大，再增大压强，CO的转化率提高不大，但对设备和材料的要求越高，需要的动力更大，会增加投资和能量消耗，不经济。

1.在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有（　　）

①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用催化剂

A.②④⑤⑦B.②③④⑤⑦⑧

C.②⑤D.②③⑤⑧

解析　根据题目要求，既要满足增大速率，又要满足使化学平衡向右移动。

从反应速率角度分析，①④⑦三种条件下化学反应速率降低；

⑥条件下化学反应速率不变。

从平衡移动角度分析：

②⑤条件下化学平衡向右移动；

⑧条件下化学平衡不移动。

2.下列事实能用勒·

夏特列原理解释的是（　　）

B.由H2（g）、I2（g）和HI（g）组成的平衡体系加压后颜色变深

C.700K时比室温更有利于合成氨的反应

D.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应

解析　A、B两项，改变条件平衡均不移动，不能用勒·

夏特列原理解释；

C项，根据勒·

夏特列原理，温度越低，NH3的转化率越高，采取700K，主要考虑催化剂的活性和反应速率问题；

D项，将混合气体中的氨液化，相当于减小了生成物的浓度，平衡正向移动，有利于合成氨反应。

3.对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是（　　）

A.升高温度，对正反应的反应速率影响更大

B.增大压强，对正反应的反应速率影响更大

C.减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大

D.加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大

解析　A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大，错误；

B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；

C项，减小反应物浓度，使正反应的速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大；

错误；

D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同，错误。

4.在密闭容器中，使1molN2和3molH2混合发生下列反应：

3H2＋N22NH3　ΔH<

（1）合成氨时选择700K高温的目的是______________________________________________

（2）当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是________。

（3）当达到平衡时，充入氩气，并保持体积不变，平衡将________移动。

（4）当达到平衡时，充入氩气，并保持压强不变，平衡将________移动，反应速率将________。

（5）当达到平衡时，充入N2并保持体积不变，平衡将________移动。

（6）当达到平衡时，保持体积不变，升高温度时，混合气体的平均相对分子质量________，密度________。

答案　

（1）加快反应速率，工业上用的催化剂在该温度时活性最大　

（2）1∶3　（3）不　（4）逆向　变小　（5）正向　（6）减小　不变

解析　合成氨时选择700K高温可以加快反应速率，而且工业上用的催化剂在该温度时活性最大；

因为初始和转化的N2和H2的浓度比都是1∶3，所以当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是1∶3；

平衡时保持体积不变，充入氩气平衡不移动；

保持压强不变充入氩气，容器体积变大，反应速率将变小，平衡逆向移动；

充入N2并保持体积不变，平衡将正向移动；

保持体积不变，升高温度时，平衡逆向移动，混合气体的质量不变，总物质的量变大，平均相对分子质量变小，密度不变。

5.合成氨工业的原料气中含有少量CO，CO会使催化剂失去催化能力（催化剂中毒），因此，在进入合成塔前必须将其除去。

一般用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应为Cu（NH3）2Ac＋CO＋NH3[Cu（NH3）3CO]Ac（正反应为放热反应）

（1）醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件是______________________。

（2）吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过处理后可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸铜氨液再生的生产适宜条件是____________。

答案　

（1）低温、高压　

（2）高温、低压

解析　

（1）醋酸二氨合铜吸收CO反应为气体体积减小的放热反应，降低温度或增大压强平衡向吸收CO的方向移动，故应采用低温、高压作为生产条件。

（2）放出CO的反应正好和吸收CO的反应相反，应采用高温、低压作为生产条件。

题点　工业合成氨适宜条件选择依据的应用

6.一密封体系中发生反应：

N2＋3H22NH3（正反应为放热反应）下图为某一段时间段反应速率与反应进程的曲线关系图：

回答下列问题：

（1）处于平衡状态的时间段是________________。

（2）t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了改变？

____________、____________、____________。

（3）下列时间段中，氨的百分含量最高的是________。

A.0～t1B.t2～t3C.t3～t4D.t5～t6

答案　

（1）0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6

（2）温度升高　加入催化剂　压强减小

（3）A

解析　本题主要是学会看图，图表达的是速率与时间的关系，只要速率不随时间变化而变化，说明在这条件下反应已经达到平衡了。

所以处于平衡状态的时间段是0～t1，t2～t3，t3～t4，t5～t6。

从图中可得t1时刻正、逆反应速率都增大，而且v逆>

v正，N2＋3H22NH3（正反应为放热反应），故温度升高，v逆>

v正。

图中t3时刻比原来的速率大，而且变化过程中v逆＝v正，说明平衡未被打破，所以应该是催化剂导致的。

图中t4时刻的变化，v′逆、v′正都减小且v′逆>

v′正，所以不可能是温度的影响，应该是压强减小了，使平衡向逆反应方向移动了。

[对点训练]

题组1　合成氨反应适宜条件的选择

1.1913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。

下列所示是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是

（　　）

A.①②③B.②④⑤C.①③⑤D.②③④

解析　②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。

2.在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是

A.不断将氨分离出来

B.使用催化剂

C.采用500℃左右的高温而不是700℃的高温

D.采用2×

107～5×

107Pa的压强

解析　把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；

合成氨反应是放热反应，相对较低温度（700K）利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡无关。

3.下列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中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低

B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高

C.合成氨工业的反应温度控制在700K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越大，产率越高，无需考虑设备、条件

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项错误，B项正确；

合成氨工业选择700K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项错误；

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20～50MPa，D项错误。

4.下列有关合成氨工业的说法中正确的是（　　）

A.铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

B.升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

C.增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间

D.合成氨采用的压强是2×

107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高

解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；

升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；

增大压强加快反应速率，C项正确；

催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D项错误。

题组2　合成氨反应的图像题

5.某密闭容器中发生如下反应：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH<

下图表示该反应的速率（v）随时间（t）变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。

下列说法中正确的是（　　）

A.t2时加入催化剂

B.t3时降低了温度

C.t5时增大了压强

D.t4～t5时间内转化率一定最低

答案　A

解析　合成氨反应前后气体系数减小，t2后反应速率增大，但平衡没有移动，说明t2时刻改变的条件是加入了催化剂，化学平衡不移动；

t3时刻应是减小压强，化学平衡向左移动；

t5时刻应是升高温度，化学平衡向左移动；

所以t6以后转化率最低。

考点　化学反应速率和化学平衡图像

题点　速率—时间（v－t）图像

6.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）　ΔH<

0,673K、30MPa下，n（NH3）和n（H2）随时间的变化关系如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A.c点处反应达到平衡

B.d点（t1时刻）和e点（t2时刻）处n（N2）不同

C.其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n（H2）比图中的d点的值要大

D.a点的正反应速率比b点的小

解析　A项，c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项错误；

B项，t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；

C项，773K>

673K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；

D项，反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。

题点　物质的量—时间图像

7.在N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<

0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是

（　　）

A.改变条件后速率－时间图像如上图

B.此过程中Q>

K

C.平衡体系中NH3的含量增大

D.N2的转化率增大

解析　分离出NH3，Q<

K，v正>

v逆，使平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，使体系中NH3的含量减小。

8.某温度下，对于反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－92.4kJ·

mol－1。

N2的平衡转化率（α）与体系总压强（p）的关系如图所示。

A.将1mol氮气、3mol氢气，置于1L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4kJ

B.平衡状态由A变为B时，平衡常数K（A）<

K（B）

C.上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大

D.升高温度，平衡常数K增大

解析　该反应为可逆反应，加入的1molN2和3molH2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4kJ，A项错误；

从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；

该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；

升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。

题点　转化率—压强图像

题组3　化工生产适宜条件的选择

9.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）　ΔH<

欲提高CO的利用率，可采用的方法是（　　）

①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度

A.①②③B.④⑤C.①⑤D.⑤

解析　增大压强，平衡不移动；

增大CO浓度，平衡向右移动，但CO转化率降低；

使用催化剂，平衡不移动，CO转化率不变；

降低温度或增大水蒸气浓度，平衡均向右移动，CO转化率增大。

10.据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：

2CO2（g）＋6H2（g）CH3CH2OH（g）＋3H2O（g）

下列叙述错误的是（　　）

A.使用CuZnFe催化剂可大大提高生产效率

B.反应需在300℃下进行可推测该反应是吸热反应

C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率

D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率

解析　B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。

[综合强化]

11.（2017·

福州高二质检）一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比1∶3的N2和H2。

开始时两容器的体积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率（　　）

A.a中大B.b中大

C.a、b中一样大D.无法判断

解析　由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。

考点　化学平衡的综合

题点　恒温恒压与恒容恒压条件下平衡的比较

12.（2017·

青岛高二检测）相同温度下，有体积相同的甲、乙两个容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分别进行合成氨反应。

下列叙述中错误的是（　　）

A.化学反应速率：

乙>

甲

B.平衡后N2的浓度：

C.H2的平衡转化率：

D.平衡混合气体中H2的体积分数：

解析　因为乙容器中的原料投入量正好是甲的2倍，故A项正确；

假设开始时乙容器的体积是甲的2倍（如图甲、虚拟乙），再将虚拟乙容器的体积压缩至与甲相等（如图乙），

则在此过程中化学平衡要向正反应方向移动，即N2、H2的平衡转化率增大，它们在平衡混合气体中的体积分数减小，故C项正确，D项