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1、化学反应条件的优化-工业合成氨_1.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；2通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。一、合成氨反应的限度1.合成氨反应的特点合成氨反应是一个可逆反应，化学方程式为N2(g)3H2(g)2NH3(g)。在298 K时H92.2 kJmol1，S198.2 JK1mol1，该反应是一个放热反应，同时又是一个熵减小(填“增大”或“减小”)的反应。2合成氨的自发性在298 K时，合成氨是自发进行的反应。3合成氨反应的限度降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨气的方向移动，
2、在一定温度和压强下，反应物氮气与氢气的体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。二、 合成氨反应1.浓度对合成氨反应速率的影响由vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。在反应过程中，随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐降低，因此为了保证足够高的反应速率，应该适时将氨从混合物中分离出来。2催化剂对反应速率的影响加入适宜的催化剂可以改变反应的历程，降低反应的活化能，从而增大反应速率。在其他条件相同的情况下，使用催化剂可使合成氨的速率提高上万亿倍。3温度温度越高，合成氨反应进行得越快。三、合成氨反应的
3、适宜条件1.合成氨反应条件的选择工业生产中，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。2合成氨的适宜条件反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中氨的含量的影响合成氨条件的选择增大压强有利于增大化学反应速率有利于提高平衡混合物中氨的含量增大压强，有利于氨的合成，但需要的动力大，对设备制造的材料性能、技术等的要求也高，加大生产成本。工业上一般采用的有低压(1107 Pa)、中压(21073107 Pa)和高压(8.51071108 Pa)升高温度有利于增大化学
4、反应速率不利于提高平衡混合物中氨的含量升高温度，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量，因此，合成氨时温度要适宜。工业上一般采用700 K左右的温度，在这个温度时，铁触媒的活性也最大提高原料气的分压有利于增大化学反应速率氮气和氢气的分压比约为13时，平衡转化率最高根据反应速率与参加反应的物质的浓度关系式分析，提高氢气的压强似乎更有利于提高合成氨的化学反应速率。但是，由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，实验表明，氮气和氢气分压比为12.8时更能促进合成氨反应的进行使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响工业上一般采用铁触媒，使反应能在较低温度下较快地进行3合成氨工业生产
5、流程中国教%育*出版网&来源:Z,xx,k.Com 来 (1)原料气的制取来源:中国教#育出版网%N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用天然气和水制H2的主要反应为：CH4H2O(g)CO3H2 COH2O(g)CO2H2(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。(3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。(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，并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。来源:中&%国*教育#出版网知识点
6、一、合成氨适宜条件的选择【例1】(双选)下列有关合成氨工业的叙述，不能用平衡移动原理来解释的是()A使用铁触媒有利于合成氨的反应B高压比常压更加有利于合成氨的反应C500 左右比室温更有利于合成氨的反应D使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应解析：使用铁触媒，能同等程度地加快正逆反应的速率，但正逆反应速率仍相等，因而平衡不发生移动，只是可以缩短达到平衡所需的时间，不能用平衡移动原理来解释。由于合成氨的正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动，可以用平衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应，低温虽然可以提高氨气的产量，但是反应速率太慢，而温度太高虽能加快反应速
7、率，但却使平衡混合物中氨气的含量降低，因此工业生产一般采用适宜的温度，既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量，500 左右铁触媒的活性最高，因此此选项不能用平衡移动原理来解释。将生成物氨气液化分离，降低了生成物的浓度，将使平衡向生成氨的方向移动，有利于氨的生成，可以用平衡移动原理来解释。答案：AC【例2】(2014朝阳区月考)下表为不同温度和压强下SO2转化为SO3的转化率。压强/Pa转化率温度11055105110651061107450 97.598.999.299.699.7550 85.692.694.997.798.3(1)从理论上看，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控
8、制的条件是_、_。(2)在实际工业生产中选用的反应温度是_。(3)采用的压强是_Pa，理由是_。解析:(1)该反应的特点是气体系数减小，正反应放热，故要提高SO2的转化率，应增大体系的压强，降低反应的温度。(2)450 为催化剂的活性温度，且该温度和常压下，SO2的转化率较高。(3)常压下SO2的转化率已经较高，增大压强尽管SO2的转化率增大，但对设备的要求也高，增大了经济投入，提高了生产成本，故综合考查选择的压强为常压。答案:(1)降低温度增大压强(2)450 (3)1105常压下SO2的转化率已经较高，增大压强尽管SO2的转化率增大，但对设备的要求也高，增大了经济投入，提高了生产成本【例3
9、】用煤(主要成分以C表示)、水和空气为原料合成NH3，则1 t煤理论上可以合成_ t NH3。解析:由CH2O(g)COH2COH2OCO2H2N23H22NH3可得关系式：3C6H22N24NH3 312 t417 t 1 tm则m1.89 t。答案:1.89【例4】在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中氨气的体积分数为25%，反应前后条件保持不变，则反应后减小体积与反应前气体体积的比值为()A. B. C. D.解析:由N23H22NH3反应可知，反应后生成NH3的物质的量(体积)等于气体减少的物质的量(或体积)。设反应后气体体积为100 L，则NH3为100 L25%25 L，故
10、反应前气体体积为100 L25 L125 L，所以反应后减小体积与反应前气体体积比值为：25 L125 L。答案:A基础演练1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%，所以生产氨的工厂的效率都很低 B由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C合成氨工业的反应温度控制在500 ，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是21075107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大答案：B2工业合成氨的反应是在500 左右进行的，这主要是因为()A500 时此反应速率最快 B500 时NH3的平衡浓度最大C500
11、时N2的转化率最高 D500 时该反应的催化剂活性最大答案：D3合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，不可采取的方法是() A补充N2B升高温度 C增大压强 D分离出NH3答案：B4(2014下城区校级期中)在N2(g)3H2(g)2NH3(g)HKC平衡体系中NH3的含量增大 DN2的转化率增大答案：D5在合成氨工业中，下列变化过程不能使平衡向右移动的是()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 B C D答案：B巩固提高6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
12、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A B CD答案：C7工业合成氨反应中，关于使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是()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，只有加压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：C8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H2 B升高温度 C增大压强D使用催化剂答案：C9有平衡体系：CO(g)2H2(g)CH3
13、OH(g)(正反应为放热反应)，为了增加甲醇的产量，工厂应采取的正确措施是 ()A高温、高压 B适宜温度、高压、催化剂 C低温、低压 D低温、高压、催化剂答案：B1合成氨反应的特点是()可逆不可逆正反应放热正反应吸热正反应气体总体积增大正反应气体总体积缩小A B C D答案：C2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的利用率答案：D3（2014秦州区校级期末）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 B C D答案：B4下列有关合成氨工业的说法中，正确的是()
