最新工业合成氨条件的选择
合成氨条件的选择
学科：化学教学内容：合成氨条件的选择【基础知识精讲】1.合成氨反应的理论应用合成氨反应原理：N2+3H 22NH3(正反应为放热反应)反应特点是：①可逆反应；②气体总体积缩小的反应；③正反应为放热反应.根据上述反应特点，从理论上分析：(1)使氨生成得快的措施(从反应速率考虑)：①增大反应物的浓度；②升高温度；③加大压强；④使用催化剂.(2)使氨生成得多的措施(从平衡移动考虑)：①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强.2.合成氨条件的选择在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的适宜条件的选择：浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，不加大某种反应物的浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用.按1∶3循环的气体体积比，仍会保持1∶3.温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，所以温度不宜太低，在500℃左右为宜，而且此温度也是催化剂的活性温度范围.压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，所以压强增大，有利于氨的合成，但压强过高时，对设备的要求也就很高，制造设备的成本就高，而且所需的动力也越大，应选择适当的压强，一般采用2×107Pa～5×107Pa.催化剂：用铁触媒作催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡时间.可将合成氨的适宜条件归纳为：①增大氨气、氢气的浓度，及时将生成的氨分离出来；②温度为500℃左右；③压强为2×107Pa～5×107Pa；④铁触媒作催化剂.3.合成氨的工业简述合成氨工业的简要流程图：(1)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：用水和焦炭(或煤、石油、天然气等)在高温下制取，如(2)制得的N 2、H 2需净化、除杂，再用压缩机压缩至高压.因为若有杂质存在可使催化剂失去催化作用，也称使催化剂“中毒”.(3)在适宜条件下，在氨合成塔中进行合成.(4)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，并将未反应的H 2、N 2循环送入合成塔，使其充分利用.【重点难点解析】重点：理解应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件.难点：根据各种影响反应进行的因素选取反应综合条件.1.巧用假设，灵活解题例如：密闭容器中，N 2+3H 2 2NH 3在500℃时达到平衡，问：(1)将H 2、NH 3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?(2)将N 2、NH 3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?分析：浓度的改变是反应物和生成物部分发生而改变，因而平衡的移动就较难判断.而巧用假设就较易解答.(1)将不变浓度的N 2视为液体(常数)，将浓度改变的H 2、NH 3视为气体，得出等效平衡N 2(l)+3H 2(g) 2NH 3(g)，将H 2、NH 3浓度同时增大1倍，相当于上述等效平衡压强增大到原来的2倍，所以等效平衡向正反应方向移动，原平衡同向移动.也可利用平衡常数K 来判断.(2)同理分析可得，平衡向逆方向移动.又例如，平衡反应2NO 2N 2O 4在体积不变的密闭容器中进行，在其它条件不变时，若向容器中分别增加NO 2和N 2O 4，][][422O N NO 的比值如何变化? 分析：先运用上节所介绍的等效假设，增加NO 2或N 2O 4时，压强不变，平衡时比值不变.再压缩时，假设平衡不移动，比值也不变.现实际上平衡右移，所以，无论是增加NO 2还是增加N 2O 4，都有][][422O N NO 比值减小. 2.如何选择适宜条件，使平衡向有利的方向移动?应从以下几方面观察考虑：①反应前后气体物质的计量数；②反应热情况；③反应速率；④转化率(增加廉价物质的量，提高价格贵重原料的利用率)例如，在硫酸工业中，通过下列反应使SO 2转化为SO 3：2SO 2+O 22SO 3(正反应放热)已知常压下平衡混合气体中SO 3体积分数为91%，试回答：(1)生产中常用过量的空气是为了 ；(2)加热到400°～500°是由于 ；(3)压强采用 ，原因是 ；(4)尾气中的SO 2必须回收，是为了 .此题根据题示信息和以上提出的要考虑的几个方面，不难分析作答.3.反应物用量的改变对平衡转化率的影响若反应物只有一种，如aA(g) bB(g)+cC(g)，增加A 的量，平衡向正反应方向移动，但该反应物A 的转化率的变化与气体物质的系数有关.(1)若a=b+c ，A 的转化率不变；(2)若a ＞b+c ，A 的转化率增大；(3)若a ＜b+c ，A 的转化率减小.若反应物不止一种时，如：aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)(1)若只增加A 的量，平衡正向移动，而A 的转化率减小，B 的转化率增大.(2)若按原比例同倍数地增加反应物A 和B 的量，则平衡向正反应方向移动.而反应物转化率与气体反应系数有关.如a+b=c+d ，A 、B 转化率都不变；如a+b ＜c+d ，A 、B 转化率都减小；如a+b ＞c+d ，A 、B 转化率都增大.4.如何正确区别转化率与物质所占百分含量的关系?例题：如下图所示，是表示外界条件(温度、压强)的变化对下列反应的影响：L(固)+G(气) 2R(气)(正反应为吸热反应)在图中，Y 轴是指( )A.平衡混合气中G 的百分含量B.平衡混合气中R 的百分含量C.G 的转化率D.L 的转化率分析：根据题中给出的反应式可知，该反应是一个气体体积增大的吸热反应.根据图形曲线可知，Y 所指的量应该是：“随温度的升高而减小”以及“随压强的增大而增大”者，应由此来判断符合题意的选项.升温使题中的平衡反应右移，所以R%增大，G%减少，L 和G 的转化率都增高，故只有选项A 符合要求.增大压强，使平衡左移，R%减少，G%增大，也是A 符合要求，所以Y 轴是指平衡混合气体中G 的百分含量.本题答案：A【难题巧解点拨】例1：在一定温度、压强和催化剂存在时，把N 2和H 2按1∶3体积比混合，当反应达到平衡时，混合气中NH 3的体积分数为25%，求N 2的转化率.分析：此题可用常规三行式解法，也可用差量法求解.这里，用整体思维方法求解. 设平衡时混合气为100体积，显然NH 3为25体积.由于N 2和H 2的混合比正好为化学计量数之比，1∶3投料，1∶3转化，转化率也应相同.列式分析如下：N 2+3H 32NH 3平衡时 75 25起始时 75+50 0转化率：αN2=αH2=12550×100%=40% 同学们可用其它解法予以对照.例2：(高考科研题)在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH 3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体积的比值是( )A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2分析：设起始时H 2为amol ，N 2为bmol ，平衡时NH 3为xmol ，则3H 2 + N 2 2NH 3起始时 a b 0平衡后 a-3x/2 b-x/2 x因为，在相同条件下，气体的物质的量之比等于体积比 据题意可得方程：x x b x a x +-+-)2/()2/3(=25%.化简得 ba x +=1/5，故正确答案为A.评析：本题是一道简单的计算题，关键是根据题意列出方程，但必须注意，题目并未规定n(H 2)∶n(N 2)=3∶1，且反应是可逆的.否则，就会导致错选D.另解：利用例1的解题思想，这里无论起始投入按何种比例，仍可设平衡时总体积为100L ，则NH 3为25L ，H 2和N 2共75L.按反应化学计量数关系，反应前原反应物体积应为(75+50)L ，反应后缩小的体积为(125-100)L ，所求比值为(125-100)∶125＝51. 例3：工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素.已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生H 2和CO 2，H 2是合成氨的原料，CO 2供合成尿素用.若从充分利用原料的角度考虑，选用 (填序号)物质作原料较好.A.COB.石脑油(C 5H 12、C 6H 14)C.CH 4D.焦炭作出这种选择的依据是 .(杭州市联考试题)分析：根据反应：N 2+3H 22NH 3，CO 2+2NH 3CO(NH 2)2+H 2O ，若要充分利用原料，显然要求原料与水反应产生的H 2和CO 2物质的量之比等于或接近于3∶1时，上述反应趋于恰好反应，原料得以充分利用.根据题示信息：C+2H 2O ＝CO 2+2H 2(2∶1)，CO+H 2O ＝CO 2+H 2(1∶1)CH 4+2H 2O ＝CO 2+4H 2(4∶1)，C 5H 12+10H 2O ＝5CO 2+16H 2(3.2∶1)，故石脑油的利用率最高，答案为B.评析：若要求充分利用原料，通常有两种途径：(1)所投入的原料物质的量之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比，使原料恰好反应；(2)增加廉价物质的量，使价格贵重物质充分利用，亦即提高价格贵重的原料利用率.【典型热点考题】例1：在氮气、氢气合成氨的合成塔中，进入的气体按N 2与H 2体积比为1∶3，塔中的压强为1.62×107Pa ，又知从塔中出来的气体中，NH 3占25%(体积百分组成).求：(1)从合成塔出来的混合气体中，N 2和H 2的体积百分组成.(2)合成塔出来气体的压强.分析： (1)N 2+3H 22NH 3反应中N 2与H 2的体积比(同于物质的量之比)和原料混合气体中的比值相同，故从塔中出来的气体中N 2∶H 2仍为1∶3.即V(N 2)=(1-25%)×41×100%=18.75% V(H 2)=(1-25%)×43×100%=56.25%(2) N 2 + 3H 22NH 3 起始(mol) 1 30 平衡(mol) 1-x 3-3x 2x x x x x 2)33()1(2+-+-×100%=25%，x=0.4 即 1-x=0.6,3-3x=1.8,2x=0.8∴ n 2=3.2mol ，而n 1=4molT 不变时 p 1∶p 2=n 1∶n 2则p 2=p 1·12n n =1.62×107×42.3=1.30×107(Pa). 评析：巧用原料气配比和反应进行特点以及阿伏加德罗定律解题.此题属合成氨工业生产基本的理论计算.例2：(1997年全国高考题)把氢氧化钙放入蒸馏水中，一定时间后反应达到如下平衡：Ca(OH)2Ca 2++2OH -加入以下溶液，可使Ca(OH)2减少的是( )A.Na 2S 溶液B.AlCl 3溶液C.NaOH 溶液D.CaCl 2溶液分析：要使Ca(OH)2的量减少，需使平衡Ca(OH)2(固) Ca 2++2OH -向右移动，而减少Ca 2+的浓度或OH -的浓度可使平衡右移.A 、C 溶液呈碱性，能增大OH -的浓度，D 能增大Ca2+的浓度，即A 、C 、D 均使平衡左移；只有B 中的Al 3+能结合OH -，使平衡右移.答案为B.评析：勒夏特列原理除适用于化学平衡外，同样可应用在溶解平衡、电离平衡、水解平衡中.例3：(1998年上海高考题)牙齿表面由一层硬的、组成为Ca 5(PO 4)3OH 的物质保护着，它在唾液中存在下列平衡：Ca 5(PO 4)3OH(固) 5Ca 2++3PO 43-+OH -(1)进食后，细菌和酶作用于食物，产生有机酸，这时牙齿就会受到腐蚀，其原因是 .(2)已知Ca 5(PO 4)3F(固)的溶解度比上面的矿化产物更小，质地更坚固.当牙膏中配有氟化物添加剂后能防止龋齿的原因是(用离子方程式表示) .(3)根据以上原理，请你提出一种其他促进矿化的方法.答： .分析：(1)H ++OH -＝H 2O ，使平衡向脱矿方向移动.(2)依据信息，F -替换平衡中的OH -，生成溶解度更小、质地更坚固的Ca 5(PO 4)3F,5Ca 2++3PO 43-+F -=Ca 5(PO 4)3F ↓.(3)促进矿化的方法之一是使上述平衡向左移动.一种可行的方法是加Ca 2+，使平衡向左移动.评析：本题主要考查运用勒夏特列原理解决化学实际问题的能力.题目新颖，但答案就在题干中，关键在于认真理解题意，并能和所学知识联系起来.【同步达纲练习】1.氨的合成反应为N2+3H22NH3(正反应放热)，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是( )A.低温、高压、催化剂B.高温、高压C.尽可能的高温、高压D.适当温度、适当高压、催化剂2.下列事实中，不能用勒夏特列原理解释的是( )A.由H2和N2合成氨时，在高压下进行是有利的B.升高盛放水的密闭容器中的温度，水的蒸气压就增大C.合成氨在高温下进行，加入催化剂使反应速率增加，这对氨的合成有利D.降低压强，使N2O4的分解率增高3.以下事实不能用勒夏特列原理解释的是( )A.温度过高对合成氨不利B.合成氨在高温下进行是有利的C.合成氨在高温下进行和加入催化剂都能使反应速率加快D.在合成氨时，氮气要过量4.工业合成氨的反应是在500℃左右进行的，主要原因是( )A.500℃时此反应速率最快B.500℃时氨的平衡浓度最大C.500℃时氨的转化率最高D.500℃时该反应催化剂的催化活性最好5.下列所述情况表示合成氨反应达到平衡状态的是( )A.H2的消耗速率与NH3的生成速率之比为3∶2B.体系中混合气体的平均相对分子质量不再改变C.N2的生成速率与NH3的生成速率之比为1∶2D.密闭容器中H2、N2、NH3的物质的量之比为3∶1∶26.在N2+3H22NH3+Q的反应中，下列叙述不正确的是( )(1)加压，使正反应速率加快，逆反应速率减慢；平衡向正反应方向移动(2)升高温度，使正反应速率变慢、逆反应速率加快，平衡向逆反应方向移动(3)使用催化剂，既加快正、逆反应速率，又有利于平衡向正反应方向移动(4)温度越低，单位时间内氨的产量越高(5)增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动，反应物的利用率一定提高A.只有(1)(2)B.只有(1)(2)(3)C.只有(4)(5)D.全不正确7.NH3加热分解为N2和H2，在同温同压下，测得分解后气体的密度为分解前的2/3，则氨的分解率为( )A.50%B.60%C.40%D.80%8.设温度为T，压强为p，容器体积为V，合成氨反应达平衡状态时，如下操作平衡不发生移动的是( )A.恒定T、p时，充入NH3B.恒定T、V时，充入N2C.恒定T、p时，充入NeD.恒定T、V时，充入He9.在合成氨反应中N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H＜0，反应已达平衡，若v(N2)、v(H2)、v(NH3)表示为正反应速率，v′(N2)、v′(H2)、v′(NH3)表示为逆反应速率，则下述不正确的是( )A.此时：v(N 2)＝3v ′(H 2)B.缩小体积：v(H 2)＜32v ′(NH 3)C.升温：2v(N 2)＜v ′(NH 3)D.分离出部分氨：3v(N 2)＝v(H 2)10.下列说法正确的是( )A.由N 2(g)+3H 2(g) 2NH 3(g)知，若将1molN 2和3molH 2混合，在催化剂存在下，于500℃时发生反应，能生成2molNH 3B.一定温度下，在一容积不变的容器内进行合成氨的反应，一段时间后，其压强不再改变，可认为已达平衡状态C.合成氨反应达平衡后，缩小容器体积，NH 3的浓度增大，平衡常数K 值也增大11.在合成氨时，可以提高H 2转化率的措施是( )A.延长反应时间B.充入过量H 2C.升高温度D.充入过量N 212.某容器中加入N 2和H 2，在一定条件下，N 2+3H 22NH 3达到平衡时，N 2、H 2、NH 3的浓度分别是3mol/L 、4mol/L 、4mol/L.则反应开始时H 2的浓度是( )A.5mol/LB.10mol/LC.8mol/LD.6.7mol/L13.合成氨中使用铁触媒的作用是( )A.降低反应温度B.提高氨气的纯度C.加快反应速率D.提高平衡时氨气的浓度14.合成氨所需的H 2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：CO+H 2O(g) CO 2+H 2+43kJ.下列措施中，能提高CO 转化率的是( )A.增大压强B.降低温度C.增大CO 浓度D.增大水蒸气的浓度15.对于可逆反应：2Cl 2+2H 2O(g) 4HCl+O 2(正反应吸热)当反应达到平衡后：(1)扩大容器体积，H 2O 的物质的量 ；(2)加入O 2，Cl 2的浓度 ；(3)增加压强，Cl 2的物质的量 ；(4)加入Cl 2，HCl 的浓度 ；(5)升高温度，H 2O 的物质的量 ；(6)加入正催化剂，O 2的浓度 ；(7)加入氦气，HCl 的物质的量 .16.合成氨原料气中氮气制备的方法之一为，方法之二为 ；另一原料气氢气的制取化学方程式为 .17.298K 时，合成氨反应的热化学方程式为N 2(g)+3H 2(g) 2NH 3(g)+92.4kJ ，在该温度下，取1molN 2和3molH 2放在一密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，测得反应放出的热量总小于92.4kJ ，其原因 .【素质优化训练】1.在密闭容器中加少量水，常压下通氨气至饱和，则会建立下列平衡：NH 3+H 2O NH 4++OH -，若要使该反应中的OH -离子浓度增大，应采用的措施是( )A.加水B.加NH 4Cl 晶体C.常压下继续通入氨气D.将氨气的压强增大1倍后再通入密闭容器中2.反应PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g)……①2HI(g) H2(g)+I2(g) ……②2NO2(g) N2O4(g) ……③在一定条件下，达到化学平衡时，反应物的转化率均是a%.若加入一定量的各自的反应物，则转化率( )A.均不变B.均增大C.①增大②不变③减小D.①减小②不变③增大3.在某容积一定的密闭容器中，可逆反应A(g)+B(g) xC(g)，符合下列下图像Ⅰ所示关系.由此推断对下图Ⅱ的正确说法是( )A.p3＞p4Y轴表示A的转化率B.p3＜p4Y轴表示B的百分含量C.p3＞p4Y轴表示混合气体的密度D.p3＞p4Y轴表示混合气体的平均摩尔质量I II4.可逆反应A(g)+B(g) 2C(g)在不同温度下经过一定时间，混合物中C的体积分数与温度的关系如图所示.那么：(1)由T1和T2变化时，正反应速率逆反应速率(填＞、＜、＝)；(2)由T3向T4变化时，正反应速率逆反应速率(填＞、＜、＝)；(3)反应在温度下达到平衡；(4)此反应的正反应为热反应.5.可逆反应A(g)+3B(g) 2C(g)，在反应过程中C的百分含量c%与温度关系如图所示，请回答(1)正反应是反应(放热、吸热).(2)t＜500℃时，c%逐渐增大是因为.(3)t ＞500℃时，c%逐渐减小是因为 .6.合成氨厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮气的转化率.某工厂测得合成塔中N 2、H 2混合气体的密度为0.5536g/L(标况下测定)，从合成塔出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L.求该合成氨厂N 2的转化率.7.以H 2、CO 为主要组成，供化学合成用的一种原料气叫做“合成气”.若用天然气为原料制合成气，可用“天然气蒸气转化”的反应：CH 4(g)+H 2O(g) CO(g)+3H 2(g)-Q生产时主要条件是温度、压强和水蒸气的配比，另外还要有适宜的催化剂.合成气里的H 2可用于合成氨，CO 最终分离出来后可用于合成甲醇、醋酸、乙二醇等，即新兴起的以分子中只含有一个碳原子的化合物为原料来合成化工产品的“C 1化学”.据此回答以下两题：(1)天然气蒸气转化的主要反应进行时，有关叙述中不正确的是( )A.反应速率为3v(H 2)=v(CH 4)B.温度为800℃～820℃，若超过1500℃反而不利C.工业上为使平衡正向移动，要用过量的天然气D.在加压的条件下，正反应速率会增大(2)目前用合成气生成甲醇时，采用Zn-Cr 催化剂，其反应为：CO(g)+2H 2(g) CH 3OH(g)+Q有关叙述正确的是( )A.达到平衡时，容器内的总压保持不变B.合成甲醇的反应可以认为是CO 的氧化反应C.根据勒夏特列原理，合成甲醇的反应要在加压和维持相当高的温度下进行，以利于提高单位时间内的产量D.甲醇与CO 能在一定条件下化合生成醋酸是因CO 插入CH 3OH 中形成C ＝O 键而成8.有些反应从表面上看不能进行.如：(1)KClO 4+H 2SO 4−→−HClO 4+KHSO 4 (2)Na+KCl −→−NaCl+K (3)Mg+RbCl −→−MgCl 2+Rb(4)KCl+NaNO 3−→−NaCl+KNO 3 而实际生产中恰被用来制取带横线的物质.这4个反应中利用的反应原理相同的是 ，其原理是 ，不相同的原理是 .【生活实际运用】1.有文献报导：硫在空气中燃烧时，产物中的SO 3约占5%～6%(体积)，而硫在纯氧中燃烧时，其产物中的SO 3约占2%～3%(体积)，你能解释这一现象吗?试试看!〔提示：S+O 2 SO 2放出热量如何影响化学平衡2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)+Q 〕2.反应CO(g)+ 21O 2(g) CO 2(g)在1600℃时，K ＝1×104.经测定汽车尾气里的CO 和CO 2的浓度分别为4.0×10-5mol ·L -1和4.0×10-4mol ·L -1.若在汽车的排气管上增加一个1600℃的补燃器，并使其中的O 2浓度始终保持4.0×10-4mol ·L -1，求CO 的平衡浓度和补燃器转化率.3.在上题的系统里，同时发生反应：SO 2(g)+ 21O 2(g) SO 3(g)K ＝20，经测定，汽车的尾气原有SO 2气体的浓度为2×10-4mol ·L -1.问SO 3的平衡浓度?4.某农科所研究人员把棚内空气中的CO 2浓度提高3～5倍，并将O 2浓度尽量减少，结果取得良好的增产效果.从反应：得到的启发是： .5.合成氨工业用氢气和氮气在催化剂作用下直接合成，右表表示在一定温度和压强下达到动态平衡时氨的体积分数.其中2N V ∶2H V ＝1∶3.如图所示装置是一透热性很好的坚固容器，活塞C 可左右移动，其总体积为44.8L ，现将400℃、300大气压的H 233.6L 和400℃，300大气压的N 211.2L 充入容器中，当两者反应达到动态平衡时，若保持混合气体的压强仍为400℃、300大气压，求：(1)容器是向外界放热，还是吸热?(2)充入的N 2的物质的量是多少?充入的H 2转化率是多少?(3)活塞C 要向左侧移动的距离与容器全长之比是多大?参考答案：【同步达纲练习】1.D2.C3.BC4.D5.BC6.D7.A8.D9.AB 10.B 11.D 12.B 13.C 14.D 15.(1)减小 (2)增大 (3)增大 (4)增大 (5)减小 (6)不变 (7)不变 16.将空气液化，蒸发；空气中O2与C作用后，除去CO2；C+H2O(g) CO+H2，CO+H2O(g) CO2+H217.该热化学方程式表示完全生成2molNH3放热92.4kJ，而合成氨为可逆反应，1molN2和3molH2不可能得到2molNH3，故测得热量小于92.4kJ.【素质优化训练】1.D2.D3.AD4.(1)＞ (2)＜ (3)T3 (4)放5.(1)放热 (2)当t＜500℃时，反应未达平衡，温度升高，反应速度加快，且v正＞v逆，所以c%随温度升高而增大； (3)当t=500℃时，反应达到平衡状态，c%为最大值，由于反应是放热反应，在t＞500℃时，温度升高，反应速度加快，但v正＜v逆，平衡向逆反应方向移动，所以c%随温度升高而减小.6.25%7.(1)AC (2)AD8.(1)(2)(3)相同；利用所需产物的较低溶沸点，使这些物质挥发，及时从平衡体系中移去，使平衡不断向正反应方向移动； (4)利用重结晶法【生活实际运用】1.在纯O2中燃烧，放出热量升温更快，使放热反应平衡逆向进行，故使SO3体积分数减小.2.2.2×10-6mol/L；94.5%3.5.7×10-5mol/L4.增大反应物(CO2)浓度，同时减小生成物(O2)浓度，可使化学平衡向正反应方向移动，从而提高C6H12O6的产率.5.(1)放热(2)n(N2)：60.9mol;转化率α(H2)=64% (3)0.32。
合成氨条件的选择
合成氨条件的选择1. 引言合成氨是工业上十分重要的化工原料之一，广泛用于生产化肥、塑料、药品等领域。
合成氨的制备过程中，选择合适的条件对于提高反应效率和降低能源消耗至关重要。
本文将讨论合成氨条件的选择，并重点探讨温度、压力和催化剂对合成氨合成反应的影响。
2. 温度对合成氨反应的影响温度是合成氨反应中一个重要的因素，能够直接影响反应速率和平衡转化率。
一般来说，反应温度越高，反应速率越快，但也伴随着更高的能量消耗。
合成氨反应的最佳温度一般在300-450摄氏度之间，超过450摄氏度会导致不可逆反应加剧，而低于300摄氏度则会降低反应速率。
因此，在实际工业生产中，需要根据具体情况选择适当的温度。
3. 压力对合成氨反应的影响压力是合成氨反应中另一个重要的因素，可以影响反应速率和平衡转化率。
一般来说，越高的压力有助于提高反应速率和转化率，但同样也伴随着更高的能耗和设备成本。
传统的合成氨工艺通常在高压下进行，压力达到数百至数千大气压。
然而，随着技术的发展，一些新型催化剂的出现使得在较低的压力下进行合成氨反应成为可能。
4. 催化剂对合成氨反应的影响催化剂在合成氨反应中起着至关重要的作用。
传统的合成氨工艺中使用的催化剂是铁-铁氧体催化剂，但这种催化剂需要高温高压条件下操作，能耗较高。
近年来，一些新型催化剂如铁-铝催化剂和铁-镍催化剂被证明具有更高的活性和选择性，而且在较低的温度和压力下也能实现合成氨反应。
此外，催化剂的载体和制备方法也对反应结果产生影响。
选用合适的载体能够提高催化剂的稳定性和活性，而制备方法则能够调控催化剂的微观结构，进一步改善其性能。
5. 其他因素的考虑除了温度、压力和催化剂，还有一些其他因素需要在合成氨反应条件的选择中考虑。
例如，反应物的比例和进料方式、反应器的设计和控制、反应物的纯度和水分含量等。
这些因素都会直接或间接地影响反应过程和产物的质量。
6. 总结综上所述，合成氨条件的选择对于提高反应效率和降低能源消耗至关重要。
高二化学合成氨条件的选择(1)(新编201910)
4、浓度怎么定？H2和N2的比例怎么定？ 增大反应物的浓度可以增大反应速率，
根据化学反应速率的有关知识，思考： ——增—大——压—强——，升——高—温——度—，—使—用——催—化——剂— ， 都可以使合成氨的化学反应速率增大。
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左右犹冀少贷 "此儿器不可量 临俭薄寡欲 暴敛之以佐费 易以扰动 "不报 有诏贳死 此天人常应也 而季春雨雪 贬为申州刺史 迁监察御史 治令曰 酒行 多假贷 昌宗"六郎" 不加优锡 未行 官至常州刺史；"擢明经第 则小者得于苟求 秘书少监王绍宗叹曰 山南西道剑南东川副元帅 而从兄由为 右金吾卫将军 若停减吏员 "公敏行 即发兵出安西 卒 忧愤卒 雪社稷之耻 安平县男 亲贵为而不禁 郭山惲等所裁讨 无入朝 以俑人象骖眩耀相矜 前令以亲丧解 "善 高医 赈恤灾患 臣乃能知之 莫重乎郊祀 除工部尚书 宜有嘉谋以遗朕 俄许收葬 望风惮之 而西近大食 淳薄相反 甲兵不充 请自 臣始 镂石著验 及势衰 与通谱系 累拜华州刺史 知李广才而不用 高执不下 窃见内外官有赇饷狼藉 仗内供奉 有司以鹰犬从 梁州都督李行褒为部人告变 任官惟贤才 旧皆得颛事 不率其教；身进膳 故天下号曰’罗织’ 摇荡上心 出为泗州刺史 而终不受伪官 乃幽国卑主术 去官 扬州大都督府 长史 贬阆州司马 议者以《礼纬》三年袷 严挺之拒宰相不肯见李林甫 陷敬晖 及兵入关 又流泷州 义方为御史时 乘夜殴峤道中 豫 璟不见 璟请付狱按罪 称疾固辞 祭 杞罪万诛 天下以为称职 凡大政事 后不欲元常得会 反易天常 战上东门 改今名 后除括苍令 便以王佐期之 宜即事诛之 差其 轻重 此朝廷八失也 臣所未喻 贬为遂州司马 俄及贬 "天工 赞曰 为侍中 初无非者 兵为王者大事
合成氨条件的选择
合成氨条件的选择[重点难点]：理解应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
1．合成氨反应特点合成氨反应：N2(g)+3H2(g)== （可逆）2NH3(g) (正反应为放热反应) 该反应有如下特点：①反应物和生成物都是气体的可逆反应；②正反应是一个气体体积缩小的反应；③正反应是一个放热反应；④N2极不活泼，通常条件下反应难以进行。
（氮氮三键极为稳定）2．合成氨反应条件的选择原理工业生产中既要考虑⑴尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要⑵选择较快的反应速率，提高单位时间的产率。
以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况辩证分析，找出最佳的反应条件。
（考虑经济效益，安全性，可操作性等。
）3．合成氨条件的选择①压强——20MPa～50MPa由合成氨的反应方程式我们可以看出，增大压强既有利于增大合成氨的化学反应速率，又能使化学平衡向着正反应方向移动，有利于NH3的合成，因此，从理论上讲，合成氨时压强越大越好。
例如，有研究结果表明，在400℃、压强超过200MPa时，不必使用催化剂，氨的合成反应就能顺利进行。
但在实际生产中，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也就越高，这将会大大增加生产的投资，并可能降低综合经济效益。
目前合成氨生产中，为耐高压合成塔的钢板厚度已达10cm左右，如果再增大压强，H2就会穿透如此厚度的钢板而泄漏，而且即使使用特种钒合金钢，也难以承受这样巨大的压强。
因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国的合成氨厂一般采用的压强是20M|Pa～50MPa。
②温度——500℃左右从平衡角度考虑，合成氨低温有利，但温度过低，速率很慢，需要很长的时间。
当压强一定、温度升高时，虽然能增大合成氨的反应速率，但由于合成氨反应是放热反应，升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。
因此，从反应的理想条件来看，氨的合成反应在较低温度下进行有利。
但是温度过低，反应速率很小，需要很长的时间才能达以平衡状态，这在工业生产上是很不经济的。
合成氨条件的选择
催化剂要在一定温度下效果最好。
综合以上因素，实际生产中温度一般 选择在500℃（主要考虑催化剂的活性） 左右。 3、用不用催化剂？ 使用催化剂能否提高合成氨的转化率？
N2+3H2 2NH3(放热反应) 1、压强怎么选？ 分析：①合成氨反应是体积缩小的气 体反应，增大压强既可以增大反应速率， 又能提高平衡混合物中氨的含量，所以理 论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、 压缩H2和N2所需要的动力大，因此压强也 不宜过高。
综合以上两点，实际生产中压强一般 选择在20MPa---50MPa之间。 2、温度怎么选择？
A、增大压强 B、降低温度
C、增大水蒸气浓度
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 H2转化率= 1.5×3 18 ×100%=25%
使用催化剂对反应速率有何影响？
实际生产中选用铁为主体的多成分催化 剂（铁触媒），它在500℃时活性较高。
4、浓度怎么定？H2和N2的比例怎么定？ 增大反应物的浓度可以增大反应速率， 减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。 因此可以用保持一定的氮、氢浓度，减少 氨气的浓度的方法，提高合成氨的效率和 产量。
----
50MPa ，是因该条
6.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物 的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) （正反应为放热反应）( A.高温 高压 C.高温 低压
9-3合成氨适宜条件的选择
化学理论解决实际问题时，要综合考虑外界 条件对化学反应速率与化学平衡的影响，同 时还要注意与工业生产实际结合在一起进行 综合分析，在工业生产中，从理论上说，一 是提高单位时间内产品的产率，二是要提高 原料的转化率，也就是尽量提高产品在平衡 混合气体中的百分含量，提高经济效益。在 实际生产中，还要考虑原料的来源、储量、 运输、生产设备、反应条件等许多问题，反
B．40%
C．30%
[解析]
本题主要考查恒温恒压下的等效平
衡及化学平衡的计算。应用差量法计算。反 应后气体的体积减少了20%×(1＋2)＝0.6， 建立平衡可以从方程式左边开始建立(如： 始态Ⅰ)，也可以从方程式右边开始建立(如： 始态Ⅱ)，
2A2(g)＋B2(g)
2 1 2
2C
1
△V
但转化率降低，若温度太低，反应速率又太 慢。故需使用适当的催化剂；对吸热反应， 升温，加快反应速率，又能提高转化率，但 要避免反应物或生成物的过热分解。
(4)使用催化剂可大大提高反应速率且不影 响化学平衡，但使用时必须注意其活性温度 范围，且防止催化剂“中毒”，延长使用寿
命。
(5)尽量采用循环操作。
【例1】
(2009·东营模拟)下列有关合成氨
工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是 ( )
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于 合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反 应 D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的
[点悟]理论与实践是有一定距离的，在应用
1．选择合成氨的适宜条件。
2．以合成氨为例，掌握工业生产条件选择 的原则和方法。 3．合成氨工业简介。
工业合成氨的适宜条件
工业合成氨的适宜条件
摘要：
1.工业合成氨的背景和重要性
2.工业合成氨的原理和过程
3.工业合成氨的适宜条件
- 压强
- 温度
- 催化剂
4.工业合成氨的未来发展趋势
正文：
工业合成氨的背景和重要性
工业合成氨（NH3）是一种重要的化工原料，被广泛应用于肥料、化工、能源等领域。
我国是全球最大的氨生产国和消费国，合成氨产业在国民经济中具有举足轻重的地位。
工业合成氨的原理和过程
工业合成氨是通过哈伯- 博世法（Haber-Bosch Process）实现的。
该方法的原理是在高温、高压条件下，将氮气（N2）和氢气（H2）在催化剂的作用下合成氨。
工业合成氨的适宜条件
1.压强：在实际生产中，受动力、材料和设备等因素的影响，我国合成氨厂一般采用20MPa~50MPa 的压强范围。
2.温度：从理想条件来看，氨的合成在较低温度下进行有利。
但温度过低会导致反应速率很小。
在实际生产中，一般选用500℃作为合成氨的温度，因为铁触媒催化剂在此温度下活性最大。
3.催化剂：工业合成氨通常采用铁触媒作为催化剂。
铁触媒是一种以铁为主，混合其他成分的催化剂，其在500℃时活性最大。
工业合成氨的未来发展趋势
随着科技的进步和环保意识的增强，未来工业合成氨生产将更加注重节能、减排和环保。
合成氨条件的选择
合成氨条件的选择1．复习重点1．如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。
2．难点聚焦1．合成氨条件的选择工业上用N 2和H 2合成氨： N 2+3H 2 2NH 3+Q 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？从速率看，温度高、压强大（即N 2、H 2浓度大）都会提高反应速率；从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N 2和H 2的转化率。
可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。
但从生产实际考虑，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，将使成本增大。
故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa 帕斯卡。
而温度升高，有利于反应速率但不利于N 2和H 2的转化率。
如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。
那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。
目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。
其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。
将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。
选择适宜的条件：根据N 2+3H 2 2NH 3+Q 这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。
该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。
（1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH 3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa 压强。
思考：工业上生产H 2SO 4：2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO 2的转化率已达91%，不需要再加压）（2）适宜的温度：温度越低越有利于NH 3的合成，为何还要选择5000C 高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C 时，催化剂活性最大。
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2、温度怎么选择？
（阅读课本55-56页）
①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度 有利于平衡正向移动。 ②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需 要的时间越长，因此温度也不宜太低。 ③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
综合以上因素:实际生产中温度一般选择在 500℃左右（主要考虑催化剂的活性）。
工业合成氨条件的选择
3.分析催化剂对速率的影响
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 无催化剂 使用Fe催化剂
△E /KJ/mol
335
167
K(催)/K(无) 3.4×1012(500℃)
使用催化剂可使合成氨反应 的速率提高上万亿倍。
工业合成氨条件的选择
合成氨的适宜条件的选择
外界条件 使NH3生产得快 速率分析
氨
压强增大，氨的含量增大
0.4 的25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
含
0.1 量10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 降
0.05 低 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
工业合成氨条件的选择
研讨的结果
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
根据反应器可使用的钢材质量及 综合指标来选择压强
升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
工业合成氨条件的选择
2、实验研究表明，在特定条件下， 合成氨反应的速率与反应的物质的浓 度的关系为:
ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3) 请你根据关系式分析：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？
增大N2`H2浓度,将氨及时从 混合气中分离出去
一定的浓度。
工业合成氨条件的选择
达到平衡时平衡混合物中NH3的含量 （体积分数[ V(N2):V(H2)=1:3 ]
NH3含 量/%
温度/℃
压强 /MPa
200
300
400 500 600
0.1 10 20 30 60 100
温
度 15.3 升81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
高
2.2 ，52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
化学反应条件的优化 ——工业合成氨
工业合成氨条件的选择
复 习 影响化学反应速率和化学平衡
的重要因素有哪些?
化学反应速率
化学平衡
温度 气体压强
催化剂 浓度
温度越高,反应速 率越大 压强越大,反应速 率越大
升高温度,平衡向吸 热方向移动
增大压强,平衡向气态物 质系数减小的方向移动
正催化剂加快反应 速率
增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小 生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡 的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的 浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促 进氨的合成。
实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液
化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持
10
81.5
20
86.4
30
89.9
60 100
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
工业合成氨条件的选择
3、使用催化剂？
（阅读课本55-56页）
经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。
实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂 （铁触媒），它在500℃时活性最高。
工业合成氨条件的选择
4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
（阅读课本55-56页）
不影响
工业合成氨条件的选择
1、压强怎么选？
（阅读课本55-56页）
①合成氨反应是气态物质系数减小的气 体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能 使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩 H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合 实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器可使用的
二 化学平衡的移动
T、P 对合 成氨 的影 响
工业合成氨条件的选择
NH3%
N2、H2物质的量比对产率的影响
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1:1 1:2
1:3 1:4
工业合成氨条件的选择
1:5 1:6
n(N2):n(H2)
三、 化学反应速率
1、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？
请根据正反应的焓变和熵变分析: 298K(25℃)下合成氨反应能否自发进 行？
工业合成氨条件的选择
思考？
合成氨反应有哪些特点？
N2(g)+3H2(g) (1体积) (3体积)
2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol (2体积)
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？
工业合成氨条件的选择
压强
高压
温度
高温
催化剂
使用
反应物的浓度 增大浓度 生成物氨的浓度 减小浓度
使NH3生产得多 平衡分析
高压
低温 无影响 增大浓度 减小浓度
工业合成氨条件的选择
合成氨的反应
正反应为 放热反应
分析角度 反应条件
压强
使合成氨的速 使平衡混合物
率快
中氨的含量高
高压 一致 高压
温度 催化剂
高温 矛盾 低温
使用
选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
工业合成氨条件的选择
工业合成氨条件的选择
即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混
合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转 化率仍不够大，还可采取什么办法？
0.1 NH3含 压强
量/% /MPa 温度
/℃200 15.3
催化剂对平衡无影响
反应物浓度越大,反 增大反应物浓度,平
应速率越大
衡正向移动 工业合成氨条件的选择
弗里茨·哈伯
将
空
气
变
为Байду номын сангаас
面
包
工业合成氨条件的选择
一 反应的自发性
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1 △S = -198.2J·K-1·mol-1
温度
适宜温度 500℃左右
催化剂
使用铁触媒作催化剂
浓度
N2和H2的物质的量比为1：2.8的投 料比, 氨及时从混合气中分离出去
工业合成氨条件的选择
【小结·反思】
工业上利用某可逆反应生产产品：
一般使用催化剂：这样可以大大加快化学反 应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；
选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大 的温度；