化学反应条件的优化工业合成氨鲁科版高中化学选修4学案.docx

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化学反应条件的优化工业合成氨鲁科版高中化学选修4学案

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨

[核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：

知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。

2.科学态度与社会责任：

认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。

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：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）。

已知298K时：

ΔH＝－92.2kJ·mol－1，

ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。

（1）可逆性：

反应为可逆反应。

（2）体积变化：

正反应是气体体积缩小的反应。

（3）焓变：

ΔH<0，熵变ΔS<0。

（4）自发性：

常温（298K）下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。

2．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

特别提示

投料比：

温度、压强一定时，N2与H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高；根据在特定条件下，v＝kc（N2）c1.5（H2）·c－1（NH3），考虑到催化剂的实际效果，适当提高N2的比例，当N2与H2的物质的量之比为1∶2.8时更能加快合成氨反应的进行。

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

　合成氨反应限度、速率分析

题点

　增大合成氨反应限度的措施

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。

考点

　合成氨反应限度、速率分析

题点

　增大合成氨反应限度和速率的措施

二、工业合成氨的适宜条件

1．合成氨反应适宜条件分析

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。

2．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（1×107～1×108Pa）

温度

适宜温度，700_K左右

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1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去

3.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，因此选择压强时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。

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

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件的理论解释

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：

温度

不同压强下SO2的转化率（%）

1×105Pa

5×105Pa

1×106Pa

5×106Pa

1×107Pa

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

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的迁移应用

例5

　（2018·苏州高二检测）Ⅰ.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__________________________________________________________。

Ⅱ.在其他条件相同时，反应H3BO3＋3CH3OHB（OCH3）3＋3H2O中，H3BO3的转化率（α）在不同温度下随反应时间（t）的变化如图，由此图可得出：

（1）温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是__________________________________

________________________________________________________________________。

（2）该反应ΔH________（填“＜”或“＞”）0。

答案　Ⅰ.<　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

Ⅱ.

（1）温度越高，化学反应速率越快，温度升高，平衡正向移动　

（2）＞

解析　Ⅰ.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。

Ⅱ.由图可知，随温度升高，曲线斜率增大，说明化学反应速率增大，同时H3BO3平衡转化率增大，说明升高温度，平衡正向移动，故反应的ΔH＞0。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的迁移应用

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NH3⑧使用催化剂

A．②④⑤⑦B．②③④⑤⑦⑧

C．②⑤D．②③⑤⑧

答案　C

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。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　增大合成氨反应限度和速率的措施

2．下列事实能用勒·夏特列原理解释的是（　　）

A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨

B．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

答案　D

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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件的理论解释

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

答案　B

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。

考点

　合成氨反应的限度速率分析

题点

　外界因素对合成氨正、逆反应速率的影响

4．（2018·苏州高二检测）对于合成氨反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是（　　）

选项

A

B

C

D

研究结果

压强对反应的影响

温度对反应的影响

平衡体系增加N2对反应的影响

催化剂对反应的影响

图示

答案　C

解析　A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率增大，使化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。

考点

　合成氨反应的限度速率分析

题点

　合成氨反应的图像分析

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（aq）＋CO（g）＋NH3（g）[Cu（NH3）3CO]Ac（aq）（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的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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的迁移应用

6．（2018·深圳中学高二月考）合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响。

合成氨工业中原料气N2可以从空气中分离得到，H2可用甲烷或焦炭与水蒸气反应制得。

（1）在一定容积的密闭容器中充入N2和H2两种气体，发生上述反应。

在某温度下达到平衡时，各物质的浓度分别是：

c（H2）＝9.00mol·L－1，c（N2）＝3.00mol·L－1，c（NH3）＝4.00mol·L－1，此温度下该反应的平衡常数K＝________。

（2）在三个相同容器中各充入1molN2和3molH2，在不同条件下反应达到平衡，氨的体积分数随时间变化的曲线如图所示。

下列说法中正确的是________（填字母）。

A．图Ⅰ可能是不同压强对反应的影响，且p2＞p1

B．图Ⅱ可能是不同压强对反应的影响，且p1＞p2

C．图Ⅲ可能是不同温度对反应的影响，且T1＞T2

D．图Ⅱ可能是同温同压下不同催化剂对反应的影响，且催化剂性能1＞2

（3）将水蒸气通过红热的C即产生水煤气，化学方程式为C（s）＋H2O（g）===H2（g）＋CO（g）　ΔH＝131.3kJ·mol－1，ΔS＝133.7J·mol－1·K－1。

该反应在常温（298K）下________（填“能”或“不能”）自发进行。

答案　

（1）7.32×10－3mol·L－1　

（2）D　（3）不能

解析　

（1）K＝

mol·L－1≈7.32×10－3mol·L－1。

（2）压强越大，φ（NH3）越大，A错误；改变压强，φ（NH3）改变，B错误；温度越高，φ（NH3）越小，C错误；催化剂能增大反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不移动，D正确。

（3）T＝298K时，ΔH－TΔS＝131.3kJ·mol－1－298K×0.1337kJ·mol－1·K－1≈91.46kJ·mol－1＞0，所以常温下反应不能自发进行。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　合成氨反应的限度、速率的综合

题组一　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

答案　B

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。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　增大合成氨反应限度的措施

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700K左右的高温而不是900K的高温

D．采用2×107～5×107Pa的压强

答案　B

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的进行，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。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　增大合成氨反应限度的措施

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

答案　B

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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件的理论解释

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2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高

答案　C

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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的理论解释

题组二　化工生产适宜条件的选择

5．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<0。

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

答案　C

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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的迁移应用

6．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

答案　B

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。

考点

　工业合成氨适宜条件的选择

题点

　工业合成氨适宜条件选择的迁移应用

题组三　合成氨反应的图像题

7．某密闭容器中发生如下反应：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）　ΔH<0。

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物质的量减小，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

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　合成氨反应的图像分析

8．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

答案　C

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。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　合成氨反应的图像分析

9．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—时间图像如右图

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

答案　D

解析　分离出NH3，Qv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。

考点

　合成氨反应的限度、速率分析

题点

　合成氨反应的图像分析

10．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。

下列说法正确的是（　　）

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）

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

答案　C

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