第4节 化学反映条件的优化——工业合成氨★【课前学案导学】■精拟定位——学习目的导航1.结识合成氨的化学原理；2.应用化学平衡和化学反映速率的有关知识选择合成氨的条件；3.理解合成氨生成的重要流程；4.理解工业条件选择的根据和原则■自主梳理—基本知识导航一、合成氨反映的限度1.合成氨反映的化学方程式为：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），，结合勒夏特列原理可知，_________温度，___________压强，有助于化学平衡向生成氨的方向移动2.有关研究表白：在一定的温度和压强中下，反映物中N2和H2的体积比为____________时平衡混合物中氨的含量最高二、合成氨反映的速率1.在特定条件下，合成氨反映的速率与参与反映的物质的浓度的关系式为：__________________________，由速率方程可知， ________N2和H2的浓度（或分压），____________ NH3的浓度（或分压），均有助于提高合成氨的速率2.温度升高时，k____________，因此升高温度有助于提高合成氨的速率3.加入合适的催化剂能_______合成氨反映的活化能，使化学反映速率提高上万倍。
三、合成氨的合适条件1.增大__________浓度，及时将生成的_______分离出来；2.温度为__________左右；3.压强为_______________；4._____________作催化剂外界条件使NH3生产得快使NH3生产得多速率分析平衡分析压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响反映物的浓度增大浓度增大浓度生成物氨的浓度减小浓度减小浓度★【课堂探究导学】■合伙探究-名师保驾护航探究一：合成氨的工业流程『特别提示』在制备原料时，要注意反映的可行性，同步要注意反映的速率和限度探究二：氮的固定将空气中游离态的氮转化为氮的混合物的过程叫氮的固定，重要的固氮措施：1.生物固氮一种重要的自然固氮反映如豆科植物在根瘤菌作用下直接吸取空气中的N2转化为氨等，进一步合成蛋白质2.自然固氮如闪电产生的巨大电压，其电火花足可以破坏氮气分子的叁键，促使其与氧气反映生成NO，进而生成NO2和HNO3等3.化学固氮 如合成氨反映、放电条件下使氮气与氧气反映生成NO等4.人工模拟生物固氮通过化学措施，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气在常温常压下与水及二氧化碳等反映，转化为硝态氮或铵态氮，进而实现人工合成大量的蛋白质等，最后实现工业化生产蛋白质食品。
『特别提示』判断某过程与否为氮的固定期，可以通过看反映物中与否有N2分子，生成物中与否有氮的化合物，都符合的属于氮的固定探究二：化工生产合适条件的选择的一般原则在化工生产中，既要考虑尽量增大反映物的转化率，充足运用原料，又要选择较快的反映速率，提高单位时间内的产量以上两点是选择反映条件的出发点，当两者发生矛盾时，要结合具体状况分析，找出最佳的反映条件1.对于任意可逆反映，增大反映物的浓度，可以提高反映速率和转化率，故生产中常使用便宜的、易得到的原料合适过量，以提高另一种原料的转化率，还要注意原料的循环运用2.对于气体体积减少的反映，增大压强使平衡向生成物方向移动，但增大压强，动力消耗增长，对设备规定高，使生产成本提高，故必须综合考虑3.对放热反映，升高温度可以提高反映速率，但转化率减少；若温度太低，则反映速率太慢，故一般要使用合适的催化剂，对于吸热反映，升高温度可以提高反映速率，转化率也增大；但是要避免反映物和生成物状态的变化及过热分解，因此应当选用合适的温度4.使用催化剂可以加快反映速率但不影响化学平衡移动，但使用时一要注意选择合适的温度（满足催化剂的活性温度），二是要防催化剂中毒，对原料进行净化。
『特别提示』选择合适的化工生产条件时，要运用化学反映速率和化学平衡移动原理，同步考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选择化工生产的合适条件■典例剖析-名师释疑助航例1.可逆反映3H2(g) + N2(g) 2NH3(g)；△H＜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措施都对的的是（ ） A．升高温度，减少压强，增长氮气 B．减少温度，增大压强，加入催化剂 C．升高温度，增大压强，增长氮气 D．减少温度，增大压强，分离出部分氨『答案』D『解析』本题规定增长合成氨反映中氢气的转化率，就是在不增长氢气的状况下，变化合成氨反映的其她条件，使更多的氢气转化为氨从化学平衡分析也就是向正反映方向移动先分析温度的影响，合成氨是放热反映，从理论上分析应采用尽量低的温度，选项A、C中升高温度是错误的合成氨反映前后都是气体物质，反映前气体体积比反映后气体体积更大，因此增长压强会使平衡向着气体体积减小的方向进行，即向正反映方向移动，选项A是错误的，其她选项中增大压强是对的的有关浓度的影响，增长反映物浓度或减小生成物浓度，会使平衡向着正反映方向移动，在合成氨反映中即是增长氮气和减少（分离出）氨是对的的选项。
加入催化剂可加速反映的进行，但对平衡移动无影响，选项B是错误的因此只有选项D是对的的变式训练1】对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最合适的组合是（ ）①高温 ②低温 ③低压 ④高压 ⑤催化剂 ⑥加氨 ⑦除氨A.②④⑤ B.②④⑦ C. ①④⑤ D.②③⑥ 【例2】在一定条件下，可逆反映N2＋3H22NH3 ΔH< 0达到平衡，当单独变化下列条件后，有关论述错误的是（）A.加入催化剂，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正增大的倍数不小于V逆增大的倍数C.降温，V正、V逆都减小，且V正减少的倍数不小于V逆减少的倍数D.加入氩气，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数不小于V逆增大的倍数『答案』CD『解析』催化剂只是增大或减小反映速率，即有V正、V逆都发生变化，但不会变化平衡的移动，即有V正、V逆变化的倍数相等加压，体系中各反映物浓度增大，V正、V逆都增大，但更有助于向气体系数减少的方向移动，故V正增大的倍数不小于V逆增大的倍数降温，反映速率所有下降，但有助于平衡向放热的方向移动，而本反映ΔH< 0，因此V正减少的倍数不不小于V逆减少的倍数。
加入稀有气体，各组分的浓度都不会变化或者减小，因此V正、V逆不变或减小故C、D均不对的变式训练2】合成氨所需的H2由炭和水蒸气反映制得，其中一步反映为CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0，欲使CO的转化率提高，同步提高H2的产率，可以采用的措施是（）A.增大水蒸气的浓度 B.升高温度 C.增大CO浓度 D.增大压强【例3】在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2.N2.NH3，开始时其物质的量之比为3 ：1 ：1，反映达平衡后，H2.N2.NH3的物质的量之比为9 ：3 ：4，则此时N2的转化率为（）A.10% B.20% C.15% D.30%『答案』A『解析』 3H2 ＋ N2 2NH3 起始量 ３ １ 1 转化量 3x x 2x平衡量 ３－３x 1－x 2x(３－x)：（1－x）：2x＝9 ：3 ：4故x=0.1因此N2的转化率为【变式训练3】在一定条件下，2NH33H2＋N2，达到平衡时，NH3的转化率为50%，此时平衡混合气的密度与NH3未分解时的密度之比为（ ）A.１：１ B.２：３ C.３：２ D.２：１变式训练解析及答案【变式训练1】答案：B解析：合成氨工业运用N2＋3H22NH3 ΔH< 0，因而可知升高温度有助于反映向氨气生成的方向进行；从气体的系数来看，加压有助于反映向氨气生成的方向进行；加催化剂只会变化速率却无法变化转化率；减少生成物的浓度也有助于反映向氨气生成的方向进行。
故综上所述有②④⑦变式训练2】答案：A解析：欲使CO的转化率提高，同步提高H2的产率，必然规定变化条件使平衡向正反映方向移动CO＋H2O(g)CO2＋H2 ΔH< 0从中可知本反映为气体系数不变且正反映放热的反映，因此可以提高反映物水蒸气的浓度升高温度虽然可以提高反映速率，但会使平衡向左移，如果减少温度，可使平衡右移，却又会减少反映速率，但会符合题目规定，可惜无此选项增大CO浓度，虽可以提高H2的产率，但自身的转化率却会减少压强对气体系数不变的反映无影响变式训练3】答案：B解析：2NH33H2 ＋ N2起始量 x 0 0转化量 50%x 0.75x 0.25x平衡量 0.5x 0.75x 0.25x反映前后均为气体故总质量不变，密度，而气体的体积又与气体的物质的量成正比，故反映后与反映前密度之比等于物质的量的反比，即为■备选例题1. 在密闭容器中进行如下反映已达到平衡，N2＋3H22NH3 ΔH< 0，其她条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到本来的２倍，则下列说法中对的的是（）A.平衡不移动 B.平衡向正方向移动 C.平衡向逆反映方向移动 D.NH3的百分含量增长答案：BD 解析：将平衡混合物中各物质的浓度都增大到本来的２倍，则反映的速率增大，其她条件不变也就是说将气体进行压缩，容器体积减小，使平衡向气体系数减小的方向移动，故平衡向正方向移动。
进而使NH3的百分含量增长2．在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中含N2的体积分数为22%，含H2的体积分数为78%，通过合成反映达到平衡后，在相似的温度和压强下，气体的体积缩小至原体积的95%，N2的转化率与下面接近的数值是（）A.12.5% B.11.4% C.10.5% D.9%答案：B 解析：设原气体体积为V，则平衡后体积为V－0.95VN2 ＋ 3H2 2NH3 ΔV1 3 2 2转化中：0.025V 0.075V 0.05V V－0.95V因此N2的转化率为3．工业合成氨反映是700 K左右进行的，这重要因素是（ ）A. 700 K 时此反映速率最快 B. 700 K 时氨的平衡浓度最大C. 700 K 时氨的转化率最高 D. 700 K 该反映的催化剂能发挥最大的作用答案：D解析：温度越高反映速率越快，因此排除A选项；N2＋3H22NH3 ΔH< 0，因此温度越高氨的平衡浓度越大，转化率越高，因此排除B、C选项。
综合可得只有D选项最贴切■常用教学素材非平衡态化学长期以来，物理学家觉得自发过程总是使体系趋于平衡有序原理是唯一的支持从无序列到有序的物理学原理，但当用这个有序原理来解释生物学现象时却遇到了很大麻烦按照几率观点，生物有序状态的形成是一种高度不可几的事。