学年高中化学 第二章 化学反应的方向限度与速率 第四节 化学反应条件的优化工.docx

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学年高中化学第二章化学反应的方向限度与速率第四节化学反应条件的优化工

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。

1．N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－92.2kJ·mol－1。

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700K

左右，高压且n（N2）∶n（H2）＝1∶2.8。

1．反应原理

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　298K时，ΔH＝－92.2kJ·mol－1　ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。

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1∶3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

C．500℃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v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3），由关系式可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3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）＝1∶2.8。

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700K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1∶2.8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：

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，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700K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（　　）

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，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦及时分离产生的NH3　⑧使用正催化剂

A．①④⑤⑦　　　　　　B．②③④⑦⑧

C．②⑤D．②③⑤⑥⑧

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②⑤。

[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v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（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700K左右的温度，其原因是（　　）

①适当提高氨的合成速率　②提高H2的转化率　③提高氨的产率　④催化剂在700K时活性最高

A．只有①B．①②

C．②③④D．①④

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（　　）

①不断将NH3分离出来　②使用催化剂　③采用700K左右的高温　④采用2×107～5×107Pa的压强

A．①④B．②③

C．①③D．②④

解析：

选B　①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；②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，所以平衡不移动；③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700K左右的高温，不利于化学平衡向右移动；④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，②③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）　ΔH＝－92.2kJ·mol－1。

（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2amolH2和amolN2放入0.5L密闭容器中，充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%，此时放出热量46.1kJ，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/（mol·L－1）:

2a4a0

转化物质的量

浓度/（mol·L－1）:

a3a2a

平衡物质的量

浓度/（mol·L－1）:

aa2a

平衡时放出热量46.1kJ，则平衡时N2转化了0.5mol,0.5amol＝0.5mol，a＝1.0。

K＝

＝4.0（mol·L－1）－2。

答案：

（1）增大N2或H2的浓度　加入催化剂　降温

（2）4.0（mol·L－1）－2

1．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

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H2　　　　　　　　B．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流程示意图，图中沿x路线到压缩机的物质是（　　）

A．N2和H2B．催化剂

C．N2D．H2

解析：

选A　在合成塔中氨的产率较低，有大量未反应的N2和H2，为提高原料的利用率，将未反应的原料气循环利用。

5．下列措施不能使合成氨反应的速率增大的是（　　）

A．升高温度B．降低温度

C．使用催化剂D．及时分离出NH3

解析：

选B　在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc（N2）c1.5（H2）c－1（NH3），可知及时分离出NH3能提高合成氨反应的速率；升高温度、使用催化剂能提高合成氨反应的速率。

6.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。

根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是（　　）

A．提高分离技术

B．研制耐高压的合成塔

C．研制低温催化剂

D．探索不用N2和H2合成氨的新途径

解析：

选C　由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为700K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

7．一定条件下，将10.0molH2和1.0molN2充入恒容密闭容器中，发生反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），并达到平衡状态，则H2的转化率可能是（　　）

A．15%B．30%

C．35%D．75%

解析：

选A　对可逆反应而言，任何一种物质都不能完全转化。

利用“极限法”，假设N2完全转化，则消耗的H2的物质的量为n（H2）＝3n（N2）＝3.0mol，但事实上，N2是不可能完全转化的，因而消耗的H2的物质的量一定小于3.0mol，故H2的转化率α（H2）<

×100%＝30%。

8．下列关于N2＋3H22NH3反应速率与时间的关系图中，纵坐标为反应速率v，横坐标为时间t，当反应达到平衡后，条件发生改变与速率变化的关系中不符合实际的是（　　）

解析：

选A　合成氨反应的化学方程式的特点是：

体积缩小、放热反应，所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。

达到化学平衡后，若升高温度，化学平衡左移，实际上此时是逆反应速率大于正反应速率，所以A图像错误；如果给体系加压，体系中所有物质的浓度都增大，所以正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度，所以B图像正确；使用催化剂不会使化学平衡发生移动，只能改变化学反应速率，所以C图像也是正确的；补充N2和H2，则平衡体系中反应物的浓度增加，所以正反应速率增大，分离出NH3，产物的浓度降低，所以逆反应速率减小，所以D图像正确。

9．在密闭容器内，使1molN2与3molH2混合发生下列反应：

3H2＋N22NH3　ΔH<0

（1）合成氨时选择500℃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并保持压强不变，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________。

解析：

合成氨时选择500℃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并保持压强不变，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。

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

10．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。

达到平衡时平衡混合物中NH3的含量（体积分数）c（投料V（N2）∶V（H2）＝1∶3]

NH3的含量/%压强/MPa温度/℃

0.1

10

20

30

60

100

200

15.3

81.5

86.4

89.9

95.4

98.8

300

2.2

52.0

64.2

71.0

84.2

92.6

400

0.4

25.1

38.2

47.0

65.2

79.8

500

0.1

10.6

19.1

26.4

42.2

57.5

600

0.05

4.5

9.1

13.8

23.1

31.4

（1）比较200℃和300℃时的数据，可判断升高温度，平衡向________（填“正反应”或“逆反应”）方向移动，正反应方向为________（填“吸热”或“放热”）反应。

（2）根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是____________________________________。

A．高温高压B．高温低压

C．低温高压D．低温低压

（3）计算500℃，30MPa时N2的转化率________。

（4）实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及500℃对反应速率的影响，还采取了一些措施请分别写出其中的一个措施：

________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）表中数据表明：

恒压时，升高温度，w（NH3）减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。

（2）由反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＜0，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。

（3）假设N2的用量为1mol，H2的用量为3mol，N2的消耗量为xmol，则：

　　　　　　N2（g）　＋　3H2（g）2NH3（g）

初始量（mol）130

转化量（mol）x3x2x

平衡量（mol）1－x3－3x2x

得：

×100%＝26.4%

x＝0.4177

α（N2）＝

×100%＝41.77%。

（4）增大反应物浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，500℃时加入合适的催化剂（铁），既提高化学反应速率，又使铁的催化性能最好。

答案：

（1）逆反应　放热

（2）C　（3）41.77%

（4）加过量N2或及时从平衡体系中移走NH3，选择合适的催化剂（如铁）

1．可逆反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0，达到平衡后，为了使氢气的转化率增大，下列选项中采用的三种方法正确的是（　　）

A．升高温度、降低压强、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、分离出部分氨气

解析：

选D　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，故选D。

2．下列说法能够用平衡移动原理来解释的是（　　）

A．加入催化剂可以提高单位时间氨的产量

B．高压有利于氨的合成反应

C．500℃高温比室温更利于合成氨的反应

D．恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多

解析：

选B　A项，加入催化剂只能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动；B项，合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正向移动，有利于合成氨，符合平衡移动原理；C项，因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度，500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动，采用500℃既考虑到温度对速率的影响，更主要的是500℃左右催化剂活性最大；D项，恒温恒容下充入He，He不与N2、H2、NH3反应，虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变，平衡不移动，NH3的产量不变。

3．某条件下合成氨反应达平衡时氨的体积分数为25%，若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比是（　　）

A.

　　　　　　　　　　B.

C.

D.

解析：

选A　设起始时H2为amol、N2为bmol，平衡时NH3为xmol，则

　　　　　　3H2＋N22NH3

起始（mol）:

ab0

平衡（mol）：

　　a－

b－

x

依题意可得：

×100%＝25%

化简得：

＝

解得：

＝

，即反应后缩小的气体的物质的量与原反应物的总物质的量之比为

。

根据相同条件下，体积之比等于物质的量之比，反应后缩小的气体体积与原反应物的体积之比为

。

4．工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）反应的图像中，错误的是（　　）

解析：

选C　合成氨的正反应是放热反应，升高温度正、逆反应速率都增大，但逆反应速率增大的程度大，A正确；在T1时φ（NH3）最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，φ（NH3）减小，B正确，C错误；增大压强，平衡正向移动，φ（NH3）增大，D正确。

5．合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。

合成氨工业的生产流程如图所示。

下列关于合成氨工业的说法中不正确的是（　　）

A．将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想

B．合成氨反应需在低温下进行

C．对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率

D．使用催化剂可以提高反应速率，但不能使平衡向正反应方向移动

解析：

选B　混合气的循环利用可以提高原料的利用率，减少污染和浪费，符合绿色化学思想，A项正确；低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率和催化剂发挥催化作用，故合成氨不采用低温条件，B项错误；增大压强，平衡正向移动，提高了原料的转化率，C项正确；催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，D项正确。

6．合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得，其中的一步反应为：

CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）　ΔH<0

反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是（　　）

A．增加压强　　　　　　B．降低温度

C．增大CO的浓度D．更换催化剂

解析：

选B　选项A，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO的转化率无影响；选项B，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右移动，提高CO的转化率；增大CO的浓度会降低CO的转化率；选项D，更换催化剂不能使化学平衡发生移动。

7.对于密闭容器中的反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0，在673K、30MPa下，n（NH3）和n（H2）随时间变化的关系如图所示。

下列叙述正确的是（　　）

A．a点的正反应速率比b点的大

B．c点处反应达到平衡状态

C．d点（t1时刻）和e点（t2时刻）处n（N2）不一样

D．其他条件不变，温度为773K时反应至t1时刻，n（H2）比图中d点的值小

解析：

选