高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨导学案

第4节 化学反应条件的优化—工业合成氨

1．合成氨反应的限度

(1)反应原理

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。

(2)反应特点

(3)影响因素

①外界条件：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投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。

微点拨：合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。

2．合成氨反应的速率

(1)提高合成氨反应速率的方法

(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v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。

微点拨：温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。

3．合成氨生产的适宜条件

(1)合成氨反应适宜条件分析

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

(3)合成氨的生产流程的三阶段

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)合成氨反应在高温下能自发进行。(　　)

(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。(　　)

(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。(　　)

(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(　　)

提示：(1)×　合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS的值在低温时小于0。

(2)×　合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。

(3)√

(4)×　催化剂同倍数的加快正、逆反应速率，对转化率无影响。

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

D　[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．工业上用氮气和氢气合成氨：N2＋3H22NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：10～30 MPa，温度：500 ℃左右，催化剂：铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是(　　)

A．使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率

B．工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨

C．上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响

D．温度升高，不利于提高氮气的转化率

B　[合成氨的反应是可逆反应，反应物的平衡转化率不可能达到100%，B项错误。]

工业生产中选择适宜生产条件的原则

(素养养成——科学态度与社会责任)

1．实验研究表明，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)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？

提示：由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与反应产物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小反应产物浓度来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度，使用合适的催化剂降低反应活化能来加快反应速率。

2．已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol－1，K＝6.6×105(mol·L－1)－2，思考：

(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？

(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。

提示：(1)为了加快化学反应的速率，提高单位时间内NH3的产量。

(2)在此温度时，催化剂的活性最大。

1．从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、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。

【例题】　可逆反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)　ΔH＜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方法都正确的是(　　)

A．升高温度，减小压强，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

D　[本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。]

[借题发挥]

(1)既然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)既然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？

(3)在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？

[答案]　(1)不是。因为温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的压强和设备的制造要求越高，一般采用2×107～5×107Pa

(2)不是。因为从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500 ℃左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。

(3)为了加快反应速率，采用以铁为主的催化剂。

1．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　)

A．低温、高压、催化剂

B．适宜的温度、高压、催化剂

C．低温、常压、催化剂

D．适宜的温度和压强、催化剂

D　[降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在500 ℃左右；增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，要选择催化剂，故D项符合题意。]

2．有关合成氨工业的说法中，正确的是(　　)

A．增大H2的浓度，可提高H2的转化率

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2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大

B　[A项，增大H2的浓度，H2的转化率减小；C项，温度控制在500 ℃的目的是催化剂活性最大；D项，压强采用2×107～5×107 Pa是考虑对设备材料的要求。]

3．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)

ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)

A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成

B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率

C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高

D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量

D　[工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。]

1．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，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．高温、高压、催化剂

B　[该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。]

2．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)

A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成

B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成

C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行

D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行

D　[A项，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH＜0、ΔS＜0，故在常温条件下该反应能自发进行。]

3．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　)

①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　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使用催化剂

A．②④⑤⑥⑦　 B．②③④⑤⑦⑧

C．②⑤ D．①②③⑤⑧

C　[从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑧不影响化学平衡，③使化学平衡向左移动。]

4．(双选)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．c点处反应未达到平衡

B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同

C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大

D．a点的正反应速率比b点的小

AC　[A项，c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项正确。B项，t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误。773 K＞673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确。在反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。]

5．(素养题)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol－1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好)下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：

(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是______________________________________________________。

(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是_____________。

(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是_________________________

________________________________________________________________。

(4)在生产中，通入过量空气的目的是_________________________________

_________________________________________________________________。

(5)尾气中有SO2必须回收是为了____________________________________。

[答案]　(1)常压、450 ℃、催化剂

(2)在此温度下催化剂的活性最高

(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失

(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率

(5)防止污染环境