第二章 第四节 化学反应条件的优化-工业合成氨

第4节化学反应条件的优化－工业合成氨
【学习目标】
1. 了解合成氨工业生产条件选择的依据和原则。

2.在前面所学化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。

认识合成氨的化学原理，并了解合成氨生产的主要流程。

【课前自主预习】
一、选取适应的反应条件的依据
1. 从可逆性、反应前后气体的系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。

2. 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。

二、合成氨的工业生产：
1. 对于N2（g）＋3H2（g）＝2NH3（g）
反应特点：（1）可逆反应（2）正向△H＜0 （3）正向△n（g）＜0
2. 反应的自发性和限度
【算一算】已知在298K时，合成氨反应的△H＝－92.2kJ·mol－1
△S＝－198.2J·K－1·mol－1
计算该反应在298K时能否自发进行
3. 反应速率
高温和有催化剂将能提高其速率常数，加快反应速率；而加压则能够更大程度上增大N2、H2的浓度，从而加快反应速率。

4. 各种外界条件对速率和平衡的具体影响：
（1）压强：
（2）温度：
（3）催化剂：
（4）浓度：
5. 合成氨的适宜条件：
【课堂互动探究】
交流研讨一、请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
交流研讨二、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？
交流研讨三、根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施来提高反应的平衡转化率和反应速率，请将你的建议填入课本P67 表格中。

例1. 在一定条件下，可逆反应N2（g）＋3H2（g）＝2NH3（g）（正反应放热）达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述中错误的是（）
A. 加催化剂，v正、v逆都变化，且变化的倍数相等
B. 加压，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
C. 降温，v正、v逆都减小，且v正减小的倍数大于v逆减小的倍数
D. 加入氩气，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
例2. 合成氨工业中，常加热至500℃,下列有关叙述正确的是（）
A. 为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间
B. 加快v正，减小v逆
C. 使平衡向合成氨的方向移动
D. 提高原料转化率
例3. 在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%。

若反应前后保持条件不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是（）
A. 1/5
B. 1/4
C. 1/3
D. 1/2
【课堂限时检测】
1. 在密闭容器中进行合成氨的反应，达到平衡后，将体系中各物质的浓度增大到原来的2倍，则产生的结果是（）
A. 平衡向正反应方向移动
B. 平衡向逆反应方向移动
C. 平衡不移动
D. NH3 的百分含量增加
2. 合成氨所需要的氨气可由煤与水反应制得，其中有如下反应：CO（g）＋H2O（g）＝CO2（g）＋H2（g），△H＞0. 欲提高CO的转化率可采用的方法是（）
①降低温度②增大压强③使用催化剂④增大CO的浓度
⑤增大水蒸气的浓度
A. ①②③
B. ④⑤
C. ①⑤
D. ⑤
3. 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。

其中氨气只占13%－14%，所以生产氨的工厂的效率都很低
B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高
C. 合成氨反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正方向移动
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大
4. 1molN2和3molH2混合发生反应N2＋3H2＝2NH3，达到平衡时，测得平衡混合物的密度是同温.同压下H2的5倍，则N2的转化率为（）
A. 75% B 25% C 30% D 10%
5. 有平衡体系CO（g）＋2H2（g）＝CH3OH（g），△H＜0。

为了增加甲醇的日产量，从理论上来讲应该采取的正确措施是（）
A. 高温、高压
B. 适宜的温度、高压、催化剂
C. 低温、高压
D. 高温、高压、催化剂
6. 在一定条件下，向密闭容器中加入30mLCO和20mL水蒸气，使其发生反应，当CO （g）＋H2O（g）＝CO2（g）＋H2（g）达到平衡时，水蒸气的体积分数与H2的相等，则下列叙述错误的是（）
A. 平衡后CO的体积分数为40%
B. 平衡后CO的转化率为25%
C. 平衡后水蒸气的转化率为50%
D. 平衡后混合气体的平均相对分子质量为24
7. 在一定条件下，可逆反应A（g）＋3B（g）＝2C（g）达到平衡时有50%的B转化为气体C。

若A的转化率为25%，则起始时冲入容器中的A与B的物质的量之比为（）
A. 3∶2
B. 1∶2
C. 1∶3
D. 2∶3
8．恒温下，将a mol N2与b mol H2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中，发生如下反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。

（1）若反应进行到某时刻t时，nt (N2)＝13mol，nt (NH3)＝6mol，计算a的值为________ （2）反应达平衡时，混合气体的体积为716．8L(标况下)，其中NH3的含量(体积分数)为25%。

计算平衡时NH3的物质的量为________。

（3）原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比(写出最简整数比，下同)，n(始)∶n(平) ＝________。

（4）原混合气体中，a∶b＝________。

（5）达到平衡时，N2和H2的转化率之比，α(N2)∶α(H2)＝________。

（6）平衡混合气体中，n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)＝________。

9.已知：2SO2（g）+O2（g
）2SO3（g）ΔH＜0，其实验数据如下：
工业上生产硫酸时，在SO2氧化为SO3的阶段应选择的适宜条件是：
（1）应选择的温度是______，其理由是_________。

（2）应选择的压强是______，其理由是_________。

第4节化学反应条件的优化－工业合成氨答案
例题1-3 CD A A
【课堂限时检测】
1、A D
2、D
3、B
4、C
5、B
6、B．试题分析： CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）
起始量（mol） 30 20 0 0
转化量（mol） x x x x
平衡量（mol）（30－x） (20—x) x x 达到平衡时，水蒸气的体积分数与H2的相等则20－x＝x解得x＝10
所以平衡后CO的体积分数
为平衡后CO的转化率
为
平衡后水蒸气的转化率为
平衡后混合气体的平均相对分子质量为
7、D解析:设起始时冲入容器中的A与B的物质的量分别是a和b，则
A（g）＋3B（g）2C（g）
起始量（mol） a b
转化量（mol）0.25a 0.75a 0.50a
平衡量（mol）0.75a (b—0.75a) 0.50a
因此有0.75a÷b＝0.5解得a︰b＝2∶3
8、（1）16 （2）8 mol (3)5∶4
（4）2∶3 (5)1∶2 (6)3∶3∶2
解析：(1) N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
开
始 a b 0
t
时 1 3
6
在t时生成6 mol NH3，消耗了3 mol N2,所以a=13+3=16。

（2）n平（NH3）=×25%=32 mol×25%=8 mol
(3)设消耗氮气的物质的量为y,
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
开始 a b 0
变化 y 3y 2y
终了 a-y b-3y 2y
(a-y)+(b-3y)+2y=32
2y=8 y=4
a+b=40
所以n(始)∶n(平)=5∶4。

（4）由（1）知a=16,a+b=40,b=24,
则a∶b=2∶3。

（5）α(N2)∶α(H2)==1∶2
(6)n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=(a-y)∶(b-3y)∶2y=(16-4)∶(24-12)∶8=3∶3∶2。

9、：（1）450℃；因为温度低时，SO2的转化率大
（2）1.01×105Pa； 450℃时，压强越大，SO2的转化率越高，但相差甚小，考虑到简
化设备和节省动力的实际，常压时SO2的转化率已达到97.5%，故采用常压。