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1、最新化学精品教学资料第4节化学反应条件的优化工业合成氨 课标要求1了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。2了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。3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作用。,1N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1。理论上增大反应物浓度和增大压强及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。2升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。3结合实际生产，合成氨一般选择铁做催化剂，控制反应温度700 K左右，高压且n(N2)n(H2)12.8。1反应原理N2(g)3
2、H2(g)2NH3(g)298 K时，H92.2 kJmol1S198.2 Jmol1K1。2反应特点合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。3有利于氨生成的措施(1)降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。1下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理解释的是()A使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B高压比常压条件更有利于合成氨反应C500 左右比室温更有利于合成氨反应D合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率解析：选B催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子
3、数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500 是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。2利用原料气在合成塔中合成氨时，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的浓度解析：选B提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会降低。1外界条件对速率的影响(1)浓度在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，减小N
4、H3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。(2)催化剂使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。(3)温度温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。(4)压强压强越大，反应进行得越快。2合成氨反应条件的选择依据工业生产中，必须从反应速率和反应限度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。提高反应的平衡转化率提高化学反应速率性质措施性质措施放热低温活化能高使用合适的催化剂分子数减小高压低温时反应速率低高温反应可逆原料循环利用原料气浓度增大能提高反应速
5、率增大原料气浓度氨气浓度增加能降低反应速率分离氨(1)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主要原因是什么？提示：温度太高，催化剂活性减弱。(2)工业合成氨中为达到最大平衡转化率，反应物的投料n(N2)n(H2)？提示：n(N2)n(H2)12.8。实际生产中合成氨的适宜条件1压强：压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压。2温度：温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)。3催化剂：使用催化剂可以大幅度提
6、高反应速率，合成氨生产一般选择铁做催化剂。4浓度：合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为12.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去。5为提高平衡转化率，工业合成采用原料的循环利用。1在合成氨反应中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，都对化学平衡无影响B都对化学平衡有影响，但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，只有施加高压对化学平衡有影响D使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果解析：选C对于反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡
7、发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。2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，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700 K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：选B合成氨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，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，
8、据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，故D项错误。3在合成氨时，既要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有()增大体积使压强减小减小体积使压强增大升高温度降低温度恒温恒容，再充入等量的N2和H2恒温恒压，再充入等量的N2和H2及时分离产生的NH3使用正催化剂ABC D解析：选C要使氨的产率增大，平衡右移，增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度、及时
9、分离产生的NH3均可，要使化学反应速率增大，增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用正催化剂，因此符合要求的是。三级训练节节过关1在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是()A加入催化剂B增大H2的浓度C升高温度 D增大NH3的浓度解析：选D加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度速率减慢。2合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是()A加快反应速率 B提高NH3的平衡浓度C降低NH3的沸点 D提高N2和H2的利用率解析：选D合成氨反应是可逆反应，采取循
10、环操作的主要目的是提高N2和H2的利用率。3工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，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700 K时活性最高A只有 BC D解析：选D合成氨反应为放热反应，温度升高，转化率降低，但反应速率加快，同时要考虑催化剂的活性。4在合成氨工业中，下列措施不能使化学平衡向右移动的是()不断将NH3分离出来使用催化剂采用700 K左右的高温采用21075107 Pa的压强A BC D解析：选B减小生成物浓度，有利于化学平衡向正反应方向移动，所以不断将氨气分离出来有利于化学平衡向右移动；使用催化剂能同等程度地加快正、逆反应速率，不能改变化学平衡
11、，所以平衡不移动；由于合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度平衡向左移动，所以采用700 K左右的高温，不利于化学平衡向右移动；由于合成氨反应的正反应为气体分子数减小的反应，故增大压强有利于平衡向右移动。综上所述，不能使化学平衡向右移动。5已知工业合成氨N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1。(1)一定温度下，在容积恒定的密闭容器中，一定量的N2和H2反应达到平衡后，改变某一外界条件，反应速率与时间的关系如图所示，其中t2、t4、t7时刻所对应的实验条件改变分别是t2_，t4_，t7_。(2)温度为T 时，将2a mol H2和a mol N2放入0.5 L密闭容器中，充
12、分反应达平衡后测得N2的转化率为50%，此时放出热量46.1 kJ，则该温度下反应的平衡常数为_。解析：(1)t2时刻正反应速率瞬间增大，逆反应速率瞬间未变化，平衡正向移动，应是增大了反应物的浓度；t4时刻速率变大，但平衡未发生移动，应是加入了催化剂；t7时刻正、逆反应速率都瞬间减小后平衡正向移动，应是降低了温度。(2)三段式计算：N2(g)3H2(g)2NH3(g)起始物质的量浓度/(molL1): 2a 4a 0转化物质的量浓度/(molL1): a 3a 2a平衡物质的量浓度/(molL1): a a 2a平衡时放出热量46.1 kJ，则平衡时N2转化了0.5 mol,0.5a mol0
13、.5 mol，a1.0。K4.0(molL1)2。答案：(1)增大N2或H2的浓度加入催化剂降温(2)4.0(molL1)21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21075107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高解析：选C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
14、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。2合成氨反应使用催化剂的理由是()A使逆反应不发生B使平衡向正反应方向移动C加快正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间D提高原料的转化率解析：选C使用催化剂，加快反应速率，缩短达到平衡时间，但平衡不移动。3合成氨时，既要使H2的转化率增大，又要使反应速率增大，可采取的方法是()A补充H2B升高温度C增大压强 D使用催化剂解析：选C合成氨反应是放热、气态物质系数减小的反应，补充H2、升高温度、增大压强、使用催化剂都能使反应速率增大，但补充H2会使H2的转化率减小；升高温度使平衡左移，H2的转化率减小；使用催化剂，平衡不移动，H2的转化率不变；只有增大压强会使平衡右移，H2的转化率增大。4如图所示是合成氨的简要
