2021学年第1节 化学反应的方向学案

第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨

自主学习·必备知识

知识点一 合成氨反应的限度

1.反应原理

已知在 时， 的 ， 。

2.反应特点

①     可逆          ②       减小        ③      ＜         ④      ＜         ⑤       ＜        ⑥       能     

3.有利于合成氨的条件

a.外界条件：⑦      降低       温度、⑧     增大     压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

b.投料比：温度、压强一定时， 、 的体积比为⑨  时平衡混合物中氨的含量最高。

想一想 合成氨反应中，为了提高原料转化率，通常如何处理反应后的尾气？

答案：将未能转化的 、 再通入合成塔中循环使用。

判一判

1.因为合成氨常温下是一个自发的反应，所以这个反应很容易发生( × )

2.在合成氨的工业生产中，反应物氮气和氢气的转化率相等( × )

知识点二  合成氨反应的速率

1.提高合成氨反应速率的方法

①    升高          ②     增大         ③     增大         ④     催化剂       

2.浓度与合成氨反应速率之间的关系

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 ，由反应速率与参与反应的物质浓度的关系式可知：⑤      增大    或 的浓度，⑥      减小    的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。

知识点三 合成氨生产的适宜条件

1.合成氨反应适宜条件分析

（1）选择合成氨生产条件时，既不能片面地追求高①      转化率       ，也不应只追求高②      反应速率       ，而应该寻求③      以较高的反应速率获取适当转化率     的反应条件。

（2）考虑原料的④      价格       、未转化的合成气（氮气和氢气）的⑤      循环使用       、⑥      反应热       的综合利用等。

2.合成氨的适宜条件

3.合成氨的生产流程的三阶段

想一想  （1）合成氨时，增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？为什么？

（2）合成氨时，降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？为什么？

答案：（1）不是。压强越大需要的动力越大，对设备的制造要求越高。

（2）不是。因为温度越低反应速率越慢，达到平衡所需时间越长，很不经济，所以实际生产中，采用 左右的温度（在此温度时催化剂的活性最大）。

互动探究·关键能力

探究点 工业生产中选择适宜生产条件的原则

情境探究

在硫酸工业中，通过下列反应将 氧化成 。

已知催化剂是 ，在 时催化效果最好。下表为不同温度和压强下 的转化率：

问题1：根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽快地转化为三氧化硫，从化学反应速率的角度考虑，应该选择什么样的条件？

答案：提示 高温、高压、催化剂。

问题2：根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽量多地转化为三氧化硫，从化学反应限度的角度考虑，应该选择什么样的条件？

答案： 提示 低温、高压。

问题3：在实际生产中，选定 作为操作温度，其原因是什么？

答案：提示 在此温度下催化剂的活性最高。

问题4：根据表中的数据分析，制取 时采用的压强是多少？原因是什么？

答案：提示 ，在该压强下 的转化率就已经很高了，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增加设备的成本。

问题5：在生产中，通入过量空气的目的是什么？

答案：提示 增大反应物 的浓度，提高 的转化率。

问题6：根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么?

答案：提示  常压、 、催化剂。

探究归纳

工业生产中选择适宜生产条件的原则

1.从可逆性、反应前后气态物质化学计量数的大小关系、焓变三个角度分析化学反应的特点。

2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响;从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。

探究应用

例 （2021广东惠州高二月考）合成氨工业的发展大大提高了粮食产量，促进了国民经济和国防工业的发展。合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是(     )

①减压  ②加压  ③升温  ④降温  ⑤及时从平衡混合气中分离出   ⑥补充 或   ⑦加催化剂  ⑧减小 或 的量

A.③④⑤⑦B.②⑤⑥

C.②⑥D.②③⑥⑦

答案：

解析：解答本题需注意以下三点：合成氨反应的特点；影响化学反应速率和化学平衡的因素;合成氨适宜条件的选择。合成氨反应 为正反应放热且气体体积减小的反应。要使平衡向正反应方向移动且反应速率加快，应选B。

解题感悟

  化工生产条件的选择需要注意的问题

（1）选取适宜的化工生产条件时，既要考虑反应速率问题，又要考虑化学平衡移动的问题，同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。

（2）温度的选择，不仅要考虑速率、平衡问题，同时还要照顾到催化剂的活性。

（3）压强的选择，除了考虑速率和平衡问题，还要考虑对设备的技术要求和成本问题。

迁移应用

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

答案：

解析：对于反应 ，使用催化剂只能加快反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能加快反应速率，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 的方向移动。

2.（★）合成氨工业中，原料气（ 、 及少量 、 的混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液来吸收原料气中的 ，其反应是 。（注： 表示 ）

（1）必须除去原料气中 的原因为  。

（2）醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液吸收 的生产适宜条件应是  。

（3）吸收 后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收 的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是  。

答案：（1）防止合成塔中的催化剂中毒

（2）低温、高压

（3）高温、低压

解析：分析吸收 反应的特点：正反应是气体体积减小的放热反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。

评价检测·素养提升

课堂检测

1.合成氨反应达到平衡时， 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 和 合成氨的新途径

答案：

解析：由题图可知 的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高 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 ，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

2.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(     )

A.升高温度B.减小压强

C.使用催化剂D.及时分离出氨气

答案：

解析：合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。

3.（2021山东德州高二月考）哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(     )

A.①②③B.②④⑤

C.①③⑤D.②③④

答案：

解析：氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反应是气体体积减小的放热反应。净化气体是为了防止杂质气体对催化剂产生影响，不能提高原料的转化率，①不符合题意；加压，平衡正向移动，可以提高原料的利用率，②符合题意；使用催化剂，可以加快反应速率，但平衡不移动，不能提高原料转化率，③不符合题意；分离出氨气，平衡正向移动，提高了原料的转化率，④符合题意；氮气和氢气再循环，可提高原料的转化率，⑤符合题意。

4.（★）合成氨反应通常控制在 的压强和 左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1:2.8，经测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度（体积分数）如下表所示:

而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约 ，这表明(     )

A.表中所测数据有明显误差

B.生产条件控制不当

C.氨的分解速率大于预测值

D.合成塔中的反应并未达到平衡

答案：

解析：合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。

素养视角

1.（2021山东泰安高二月考）合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。

（1） 的化学式为  。

（2）上图中条件选定的主要原因是  （填字母）。

A.温度、压强对化学平衡的影响

B.铁触媒在该温度时活性大

C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制

（3）改变反应条件，会使平衡发生移动。下图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是  （填字母，下同），当横坐标为温度时，变化趋势正确的是  。

答案：（1）

（2） ;

（3） ;

解析：（1）原料气 和 在一定条件下反应，生成的 冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的 、 进行循环利用。

（2）温度选择在 并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当加快化学反应速率，压强选择 是从化学平衡理论分析的，压强增大，平衡向生成 的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大。

（3）考查压强、温度对化学平衡的影响。