高三化学 工业合成氨
31工业合成氨
第二章第四节化学反应条件的优化——工业合成氨【双基回顾】一、合成氨反应的限度合成氨反应是在298k时自发进行的热反应，同时也是气体的物质的量减小的熵反应。
因此，温度、压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
研究发现：在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为时，平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率（1）在反应过程中，随着氨的浓度的__________，反应速率会逐渐________，因此为了保持足够高的反应速率应适时将_________从混合气体中分离出来。
（2）使用________可以使合成氨的反应速率提高上万亿倍。
（3）温度越高，反应速率越________。
三、合成氨的适宜条件在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需条件有时是矛盾的。
因此选择条件时应该寻找以的反应速率获得适当的的反应条件。
此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的使用、的综合利用等问题。
目前，合成氨生产一般选择做催化剂；控制反应温度在左右；根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择，大致分为低压（1×107Pa）、中压（2×107Pa~3×107Pa），和高压（8.5×107Pa~1×108Pa）三种类型。
通常采用氮气与氢气物质的量之比为的投料比。
【考点精练】【考点1】合成氨反应分析【思考】从提高转化率的角度来看，合成氨应该采用什么条件？从提高化学反应速率来看应该采用什么条件？【练习1】合成氨反应的特点是()①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热⑤正反应气体总体积增大⑥正反应气体总体积缩小A．①③⑤B．②④⑥C．①③⑥D．④⑤⑥【练习2】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．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④【考点2】合成氨适宜条件的选择【思考】工业上合成氨的适宜条件是什么？【练习1】合成氨工业中，常加热到700 K左右的温度，理由是()①适当提高合成氨的反应速率②提高氢气转化率③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大A．①B．①②C．②③④D．①④【练习2】根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是()A．研制耐高压的合成塔B．采用超大规模的工业生产C．研制耐低温复合催化剂D．探索不用H2和N2合成氨的新途径【课堂小测】1.有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采用的正确措施是()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2.在一定条件下，可逆反应N2+3H22NH3△H＜0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（）A．加入催化剂V正、V逆都发生变化，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正减少倍数大于V逆减少倍数D．加入氩气，V正、V逆都增且V正增大倍数大于V逆增大倍数3.在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3：1：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9：3：4，则此时N2的转化率为（）A．10% B．20% C．15% D．30%4.在密闭容器中进行如下反应已达平衡，N2+3H22NH3△H＜0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍，则下列说法中正确的是（）A．平衡不移动 B.平衡向正方向移动 C.平衡向逆反应方向移动 D.NH3的百分含量增加【课后作业】1.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%。
工业合成氨资料讲解
1. 合成氨工业(1)简要流程(2)原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的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)在高温下制取。
用煤和水制H2的主要反应为：(3)制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。
(4)氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。
(5)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循坏送入合成塔，使之充分利用。
2.合成氨条件的选择(1)合成氨反应的特点：合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应：(2)合成氨生产的要求：合成氨工业要求：○1反应要有较大的反应速率；○2要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。
(3)合成氨条件选择的依据:运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。
反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中NH3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NH3的产量压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用20MPa—50MPa的压强升高温度有利于增大化学反应速率不利于提高平衡混合物中NH3的产量温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500℃左右的温度(因该温度时，催化剂的活性最强)使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行。
○1温度：500℃左右○2压强：20MPa—50MPa ○3催化剂：铁触媒除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气，以有利合成氨反应。
(6)合成氨生产示意图3.解化学平衡题的几种思维方式(1)平衡模式思维法(三段思维法)化学平衡计算中，依据化学方程式列出“起始”“变化”“平衡”时三段各物质的量(或体积、或浓度)，然后根据已知条件建立代数式等式而进行解题的一种方法。
化学知识点 工业生产
合成氨合成氨的化学方程式如下：N 2+3H 22NH 3+Q根据化学方程式，从化学反应速率和化学平衡的角度，从以下方面考虑：（1）温度的选择：从化学反应速率的角度考虑，温度越高，反应速率越快。
从化学平衡的角度考虑，合成氨是放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动，不利于合成氨。
从催化剂角度考虑，目前使用的合成氨有效的催化剂都是铁催化剂，它在450℃～500℃左右时催化能力最强。
综合考虑：合成氨选择的温度在450℃～500℃左右。
（2）压强的选择：从化学反应速率的角度考虑，压强越大，反应速率越快。
从化学平衡的角度考虑，合成氨反应是气体分子数缩小的反应，压强越大，越有利于合成氨的反应，平衡向正反应方向移动。
从设备和动力的角度考虑，压强越大，需要的动力也越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高。
综合考虑：合成氨选择的压强在25MPa ～50MPa 。
（3）催化剂的选择：从化学反应速率的角度考虑，加入合适的催化剂，反应速率加快。
从化学平衡的角度考虑，催化剂不会影响化学平衡。
由于N 2与H 2在通常情况下很难反应，因此选择合适的催化剂有利于合成氨工业。
目前，合成氨工业上选择的催化剂较多的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
（4）其他方面：①及时从反映混合物中移走氨（氨比氮气和氢气易液化，由于合成氨压强很大，只要稍微降低温度，氨就成为液体，工业上常将混合气通过水冷凝器，再通过氨分离器将氨分离出来。
）②氮气和氢气循环使用，并不断补充氮气和氢气。
高温高压催化剂合成氨可以分为3个阶段：（1）原料气的制备、净化和压缩：合成氨需要的氮气，取自于空气。
用空气制取氮气，通常有两种方法：一是将空气先液化，然后将其中的氮气气化，再使氮气与其他液体物质分离（氮气沸点低）；二是将空气中的氧气与焦炭作用，生成二氧化碳，再让所得的混合气体通过氨水，就能除去二氧化碳，得到氮气。
而吸收二氧化碳后得到的铵盐可作为产品--化肥进入市场。
工业合成氨公式
工业合成氨公式工业合成氨的化学方程式为：N_2 + 3H_2{高温、高压、催化剂}{===}2NH_3。
一、反应条件。
1. 高温。
- 较高的温度能加快反应速率。
但是温度过高会使平衡向逆反应方向移动（因为合成氨反应是放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度平衡向吸热方向移动），所以温度不能过高，工业上一般控制在400 - 500℃左右。
2. 高压。
- 增大压强有利于反应向生成氨的方向进行（根据勒夏特列原理，增大压强平衡向气体体积减小的方向移动，反应前有1体积的氮气和3体积的氢气共4体积气体，反应后生成2体积氨气，反应后气体体积减小）。
但是压强过高对设备要求高，成本增大，工业上一般采用10 - 30MPa的压强。
3. 催化剂。
- 采用铁触媒（以铁为主体的多成分催化剂）作催化剂，可以大大加快反应速率，缩短达到平衡的时间。
二、原料气的制取。
1. 氮气的制取。
- 从空气中分离出氮气。
工业上一般采用先将空气液化，然后根据氮气和氧气沸点的不同进行分离，氮气的沸点为 - 195.8℃，氧气的沸点为 - 183℃。
2. 氢气的制取。
- 通常采用水煤气法，反应方程式为C + H_2O(g){高温}{===}CO + H_2，然后将一氧化碳进一步与水蒸气反应转化为二氧化碳和氢气，反应方程式为CO +H_2O(g){催化剂}{===}CO_2+H_2，最后通过分离除去二氧化碳得到氢气。
三、合成氨的意义。
1. 氨是一种重要的化工原料，可用于生产氮肥（如尿素、铵盐等），提高农作物的产量，对解决全球粮食问题有着重要意义。
2. 氨还可用于生产硝酸等其他化工产品，在化工生产中有着广泛的应用。
高三化学《化学反应条件的优化—工业合成氨》PPT
D、增大CO浓度
3、在合成氨反应中，入口气体体 积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口 气体体积比为9:27:8，则H2的转 25% 。 化率为________
N2+3H2 2NH3 起始 6 18 1 变化 X 3X 2X 6-X : 1+2X=9:8 X=1.5 1.5×3 H2转化率= 18 ×100%=25%
化学反应 的方向
合成氨反 应能否自 发进行
怎样能促 使化学平 衡向合成 氨方向移 动 怎样能 提高合 成氨反 应速率
化学工艺学
化学反应 的限度
适 宜 的 合 成 氨 条 件
工 艺 流 程
化学反应 的速率
高压对设备材质、 加工制造的要求、温度 的催化剂活性的影响等
合成氨反应的特点：
N2(g)+3H2(g) (1体积) (3体积) 2NH3(g) ⊿H ＝-92.4kJ/mol (2体积)
D )
X2Y4 (g)
B.低温 低压 D.高压 低温
8.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 下列判断正确的是( BC )
2SO3 (g)
A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3 B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动
C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率
的两倍
D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.
52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
6000C
0.05
4.5
9.1
13.8 23.1 31.4
讨论与交流：能否用过量氮气提高氢气转
工业合成氨的化学反应方程式
工业合成氨的化学反应方程式
工业合成氨的化学方程式：N?g+3H?g=2NH?g（可逆反应）。
工业制氨绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。
氮气主要来源于空气；氢气主要来源于含氢和一氧化碳的合成气（纯氢也来源于水的电解）。
由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。
N2g+3H2g=2NH3g
1、生产能力和产量合成氨是化学工业中产量很大的化工产品合成氨工业，1982年，世界合成氨的生产能力为125Mt氨,但因原料供应、市场需求的变化，合成氨的产量远比生产能力要低。
合成氨产量以俄罗斯、中国、美国、印度等十国最高，占世界总产量的一半以上。
2、消费和用途。
合成氨主要消费部门为化肥工业，用于其他领域的（主要是高分子化工、火炸药工业等）非化肥用氨，统称为工业用氨。
3、原料。
合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等。
1981年，世界以天然气制氨的比例约占71%,苏联为92.2%、美国为96%、荷兰为100%；中国仍以煤、焦炭为主要原料制氨,天然气制氨仅占20%。
70年代原油涨价后，一些采用石脑油为原料的合成氨老厂改用天然气，新建厂绝大部分采用天然气作原料。
4、生产方法。
生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造，其中最广泛采用的为蒸汽转化法和部分氧化法。
感谢您的阅读，祝您生活愉快。
氨的工业制法
氨的工业制法
氨的工业制法主要是哈伯法，基本原理是通过氮气和氢气在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成氨气。
具体来说，其反应条件一般为高温（450℃左右）、高（20-50 MPa）和铁触媒作催化剂。
氮气主要来源于空气，可以通过空气分离装置制得；氢气则主要来源于含氢和一氧化碳的合成气，也可以通过水的电解得到纯氢。
将氮气和氢气组成的混合气，即合成氨原料气，进行净化处理以去除其中的硫化物、碳氧化物等对催化剂有毒的物质，然后就可以送入合成塔进行氨的合成。
工业制备流程有多种，包括布朗三塔三废锅氨合成圈、伍德两塔两废锅氨合成圈、托普索S-250型氨合成圈和卡萨里轴径向氨合成工艺等。
这些流程在具体的设备结
构、操作条件和催化剂选择等方面可能会有所不同，但基本原理都是利用氮气和氢气的反应来合成氨。
此外，煤（焦炭）也可以作为原料来制备氨，主要通过煤的气化得到含有一氧化碳和氢气的合成气，再经过变换和脱碳等步骤得到纯净的氢气和氮气混合气进行氨的合成。
请注意，以上信息仅供参考，具体的工业制备方法和流程可能因不同的工艺和设备而有所差异。
在实际操作中，还需要考虑原料的获取、设备的选择和维护、催化剂的活性和寿命、能源消耗以及环境保护等多方面因素。
工业制氨方程式
工业制氨方程式
工业制氨是一种重要的化学反应，可以制备用于化肥和其他工业用途的氨气。
以下是工业制氨方程式：
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
在这个方程式中，氮气和氢气反应生成氨气。
这个反应需要高温高压条件，并使用铁催化剂促进反应速率。
此外，工业制氨需要大量能量，因为生成氢气需要燃烧化石燃料。
因此，工业制氨不仅是化学反应的问题，也是能源和环境保护的问题。
工业制氨对于现代人类社会的重要性不言而喻。
氨气不仅用于肥料生产，还用于工业，医疗，农业和日常生活中的多个领域。
与此同时，化肥生产对于全球粮食供应有着至关重要的作用，这使得工业制氨的重要性被广泛认可。
然而，尽管工业制氨的使用广泛，但却具有某些不利的环境和健康影响。
与其他化学反应类似，工业制氨反应也会产生废弃物和二氧化碳等温室气体。
废水和固体废弃物的处理也是一个严重的问题。
此外，在制造过程中，处理废水和固体废弃物也面临很大的挑战。
因此，在工业制氨方程式中，不仅涉及到反应本身，也涉及到环境问题和社会问题。
随着技术的进步和环保要求的加强，未来工业制氨的发展将遇到更多的挑战和机遇。
需要继续研究新的制氨技术，以确保可持续发展。
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11. 9 高三化学晚练工业合成氨
1．下列过程属于人工固氮的是（）
A．分离液态空气制氮气
B．闪电时N2转化为NO
C．合成氨
D．豆科作物根瘤菌将N2转化为NH3
2．NH3是一种重要的工业原料．下列关于合成氨的说法中，不正确的是（）A．工艺涉及催化技术
B．工艺涉及高温高压技术
C．原料之一的氮气来自空气
D．从合成塔出来的气体中，氨的体积分数为100%
3．传统合成氨工业需要采用高温、高压和催化剂．近来美国化学家使用新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气．下列说法正确的是（）
A．新型合成氨方法是吸热反应
B．新型合成氨方法可简化生产设备
C．新型催化剂提高了N2和H2的转化率
D．两种方法中该反应的化学平衡常数相同
4．如图是合成氨的简要流程示意图，沿X路线回去的物质是（）
A．N2和H2B．催化剂C．NH3D．H2
5．有关合成氨工业的下列说法中，正确的是（）
A从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低B．由于氨可液化分离出来，N2、H2在实际生产中循环使用，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20 MPa～50 MPa，因在该压强下铁触媒的活性最大6．下列工业生产所涉及的化学用语表达不正确是（）
A．工业上制取氯气：MnO2+4HCl Cl2↑+MnCl2+H2O
B．工业上合成氨：N2+3H2 2NH3
C．工业上制取粗硅：SiO2+2C Si+2CO↑
D．工业上生产漂白粉：2Cl2+2Ca（OH）2=CaCl2+Ca（ClO）2+2H2O
7．下列生产工艺不能体现“绿色化学”思想的是（）
A．海水提镁：用电解氯化镁产生的氯气制取盐酸
B．工业制硫酸：提高尾气排放的烟囱高度
C．工业制胆矾：使用稀硫酸、双氧水溶解铜
D．火力发电：在燃煤中加入适量生石灰
8．“低碳”既是时尚，也是环保要求．“低碳”在工业生产中意义重大，充分利用原材料，不排放或减少排放“三废”，不同工厂今后联合生产等都是很好的“低碳”生产方式．下面是几个工厂利用废气、废渣（液）联合生产化肥硫酸铵的工艺：
请回答下列问题：
（1）工艺操作②为：．
（2）工业合成氨的化学方程式为：．
（3）副产品的化学式为．该联合生产工艺中可以循环使用的物质是．
（4）在实验室中检验合成氨厂排出的废气中是否含有氨气的方法是
（5）写出生成“产品”的化学方程式：．
答案：1-7 CDBABAB 6 （1）．过滤(2) N2+3H22NH3，(3) CaO，CO2(4)用湿润的红色石蕊试纸放在导气管口，若试纸变蓝，则证明有NH3 。
CaSO4+CO2+2NH3+H2O═CaCO3↓+（NH4）2SO4。