合成氨工业-化学平衡原理的应用

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第2讲化学平衡常数与化学平衡的计算工业合成氨资料

第2讲化学平衡常数与化学平衡的计算工业合成氨资料

第2讲化学平衡常数与化学平衡的计算工业合成氨资料工业合成氨是一种非常重要的化学反应,在工业生产中应用广泛。

该反应的平衡常数与化学平衡的计算是关键因素。

背景介绍:工业合成氨是通过氮气与氢气的气相反应,在高温高压条件下进行。

这个反应过程通常使用瑞士化学家哈柏和德国化学家卡尔·博丁提出的哈柏-博丁斯反应方程来描述:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)平衡常数的定义:平衡常数是指在给定反应体系的平衡状态下,反应物与生成物之间的浓度关系。

对于上述的合成氨反应,平衡常数Kc可以定义为:Kc=[NH3]^2/([N2][H2]³)化学平衡的计算:化学平衡的计算是为了确定反应体系在给定温度和压力下的反应物和生成物的浓度。

在工业合成氨的情况下,计算化学平衡可以用于优化反应条件和预测产物的浓度。

下面是一些计算化学平衡的步骤:1.设定初始条件:初始条件是指在反应开始时反应物和生成物的初始浓度。

通常情况下,初始浓度可以通过化学方程式和给定的反应物的摩尔数来确定。

2.确定变量:变量是指在化学平衡计算中需要确定的未知数。

在工业合成氨的情况下,通常需要确定的变量有平衡常数Kc,反应物和生成物的浓度,以及反应物的摩尔比。

3.编写平衡条件方程:平衡条件方程是根据化学方程式和给定的初始条件来确定反应体系的平衡条件。

在工业合成氨的情况下,平衡条件方程可以根据哈柏-博丁斯反应方程和初始浓度来编写。

4.解方程组:解方程组是为了确定反应物和生成物的浓度。

这可以通过求解平衡条件方程组来实现。

在工业合成氨的情况下,可以使用数值方法如牛顿迭代法来解方程组。

5.检验结果:检验结果是为了确定计算得到的平衡浓度是否符合实际情况。

可以通过与实验数据进行比较来检验结果,并进行必要的调整。

总结:工业合成氨的平衡常数与化学平衡的计算对于该反应的工业生产非常重要。

通过计算化学平衡可以优化反应条件,预测产物的浓度,并为工业反应的控制提供参考。

工业合成氨

工业合成氨

温度 催化剂
浓度
练习 1.1913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( B )
A.①②③ C.①③⑤
B.②④⑤ D.②③④
不同压强SO2的转化率(%)
1.0×105Pa 5.0×105Pa 1.0×106Pa 5.0×106Pa 1.01×107Pa
③使用催化剂
④增大CO的浓度
A. ①②③
⑤增大水蒸气的浓度
C. ①⑤ D. ⑤
B. ④⑤
三、合成氨反应的速率
影响合成氨反应的速率的因素有哪些?从反应速率角度 考虑应选择什么条件?
温度 压强 浓度 催化剂
高温 高压 增大N2、H2浓度 Fe(铁触媒)
四、合成氨的适宜条件
条件 压强 工业合成氨的适宜条件 在设备条件允许的前提下,尽量采取高 压(1×107~1×108Pa) 700K,考虑速率,催化剂的适宜温度(该 温度下催化剂活性最大) 铁做催化剂 不断的补充反应物,及时的分离出产物, N2、 H2的物质的量之比1:2.8
工业合成氨
工业合成氨: N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) △ S=-198.2J/(K ·mol) △ H=-92.2KJ/mol
合成氨反应的特点:Βιβλιοθήκη 1.可逆反应2. 放热反应
3.气体体积减小的反应
利用所学理论分析工业合成氨的适宜条件?
一、合成氨反应的方向
△H-T△S=-92.2kJ· mol-1+298K×198.2J· K - 1· mol-1 =-33.1kJ· mol-1<0, 故该反应在298K时能自发进行

知识讲解-化学反应条件的优化—工业合成氨(提高)

知识讲解-化学反应条件的优化—工业合成氨(提高)

化学反应条件的优化—工业合成氨 编稿:宋杰 审稿:张灿丽【学习目标】1、能用平衡移动原理(勒夏特列原理)解释一些生活、生产问题;2、理解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;3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。

【要点梳理】要点一、合成氨反应原理和特点。

1、反应原理:N 2(g )+3H 2(g ),高温高压催化剂2NH 3(g )。

2、反应特点。

①可逆反应;②正反应是放热反应;③正反应是气体体积缩小的反应;④氨很容易液化。

要点二、合成氨适宜条件的选择。

1、适宜生产条件选择的一般原则。

对任一可逆反应,增大反应物浓度,能提高反应速率和转化率,故生产中常使廉价易得的原料适当过量,以提高另一原料的利用率,如合成氨中氮气与氢气的配比为1∶2.8。

选择条件时既要考虑反应的快慢——反应速率越大越好,又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动,来提高氨在平衡混合物中的体积分数。

2、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。

[归纳] 合成氨的适宜条件: (1)温度:500℃左右;(2)压强:20 MPa ~30 MPa ;(3)催化剂:铁触媒(500℃时其活性最强)。

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(N 2和H 2),以有利于合成氨反应。

要点三、合成氨工业的简介。

合成氨工业的简要流程:合成氨生产示意图2-4-1:1、原料的制取氮气:将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO 2,除去CO 2后得氮气。

氢气:用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。

主要反应有: C+H 2O (g )高温CO+H 2CO+H 2O (g )∆催化剂CO 2+H 2CH 4+H 2O (g )700C 900C︒︒催化剂CO+3H 22CH 4+O 2950C︒催化剂2CO+4H 22、制得的氮气和氢气需净化、除杂质,再用压缩机压缩至高压。

工业合成氨

工业合成氨

二、合成氨反应的速率
【交流· 研讨】
1、你认为可以通过控制哪些反应条件来 高温、高压、有催化剂、增大反应物浓度、减小 提高合成氨反应的速率? 生成物浓度 2、实验研究表明,在特定条件下,合成 氨反应的速率与反应物质的浓度关系为: v =kC(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?
你能否为合成氨工业发展前景提出更好的 设想?
作业:《丛书 合成氨工业》
适宜温度 700K左右 此温度下催化剂的活性最大 使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1:2.8的投料 比;生成的氨及时从混合气中分离出 去;循环使用N2和H2
边学边练
1、对于可逆反应:N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (正反应放热)。下列说法中正确的是( AC ) A.达到平衡时,NH3的生成速率等于NH3的分解 速率 B.达到平衡时,反应物和生成物的浓度一定相 等 C.达到平衡时,若加入N2,在重新达平衡时, NH3的浓度比原平衡时增大,H2的浓度比原平 衡时减小 D.达到平衡时,若升高温度,加快了吸热反应 的
3、请你根据下表所给的数据分析催化 剂对合成氨反应速率的影响: 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 3.4×1012(700k) 167 k(催)/k(无)
三、合成氨的适宜条件的选择
理论分析 外界条件 压强 温度 催化剂
提高NH3产率
从平衡分析
1909年,德国人哈伯(F.Haber)在600℃、200个 大气压下成功合成了氨,被授予1918年的诺贝尔 化学奖; 1913年,德国博施(C.Bosch)建成世界第一座合 成氨工厂并实现商业化,被授予1931年的诺贝尔 化学奖; 2007年,德国埃特尔(G.Ertl)阐明了 合成氨相关表面反应机理,获得当年的诺贝尔 化学奖。 “合成氨领域也许还将出现第四个诺贝尔奖, 因为它的影响实在是太大了。”中国科学院院士 陈懿预测道。

化学平衡原理在工业的应用

化学平衡原理在工业的应用

化学平衡原理在工业的应用一、概述化学平衡原理是化学反应过程中,反应物和生成物浓度达到一定比例的状态。

在工业生产中,化学平衡原理被广泛应用于各类化学反应的控制和优化过程中。

本文将介绍几个化学平衡原理在工业领域的应用案例。

二、酸碱中和反应酸碱中和反应是化学平衡原理的一个重要应用。

在工业生产中,酸碱中和反应常用于调节溶液的酸碱度和稳定性。

以下是几个典型的酸碱中和反应应用案例:1.废水处理:工业废水中常常含有大量酸性或碱性物质,需要通过酸碱中和反应将其中和为中性,以达到环境排放标准。

2.锂电池制造:锂电池中的电解液常常需要调节酸碱度,以提高电池性能。

通过控制酸碱中和反应,可以优化电池的性能和循环寿命。

三、氧化还原反应氧化还原反应是化学平衡原理的另一个重要应用。

在工业领域,氧化还原反应常用于电池、金属制品表面处理等领域。

以下是几个氧化还原反应的应用案例:1.锌电池制造:锌电池通过控制锌和电解液中的氧化还原反应来释放电能。

通过优化反应条件和材料配比,可以改善电池的性能和循环寿命。

2.金属表面处理:工业制品表面常常需要进行氧化还原反应,以提高表面的耐腐蚀性和外观质量。

例如,通过钝化反应可以形成一层致密的氧化膜,保护金属表面免受环境侵蚀。

四、反应平衡控制反应平衡控制是化学平衡原理在工业中的核心应用之一。

通过控制反应物浓度、温度和压力等因素,可以调节反应平衡,提高产率和产品质量。

以下是几个反应平衡控制的应用案例:1.合成氨生产:合成氨生产是工业上的重要化学过程,该过程遵循哈-伯特律。

通过控制反应温度、压力和反应物浓度,可以优化氨的产率和反应速率。

2.硝酸生产:硝酸生产中的氧化反应是一个平衡反应。

通过控制反应物浓度和温度,可以提高硝酸的产率和质量。

五、催化剂的应用催化剂是化学平衡控制的重要手段。

在工业生产中,催化剂的应用可以降低反应的活化能,提高反应速率和产率。

以下是几个催化剂的应用案例:1.催化裂化:石油催化裂化是石油工业中的重要工艺,通过催化剂降低石油分子的活化能,使其在较低温度下发生裂解反应,产生高附加值的石油产品。

化学反应条件的优化――――工业合成氨

化学反应条件的优化――――工业合成氨

化学反应条件的优化――――工业合成氨[知识要点]:一、合成氨的化学平衡分析:工业合成氨是可逆反应:N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) 已知298K时△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2 J·K―1·mol―1可知,该反应在298K时是一个能进行的反应,同时也是气体的物质的量的减反应。

[结论] 因此温度压强将有利于化学平衡向生成的方向移动,在一定的温度、压强下,反应物氮气、氢气的体积比为时,平衡混合物的氨的含量最高。

二、合成氨的反应速率分析:特定条件下,合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度关系为v=kC (N2)C1.5(H2)C―1(NH3),可知,合成氨反应的速率与氨气浓度的次方成,在反应过程中,随着氨气的浓度的增大,反应速率会逐渐,因此为保持足够高的反应速率,应适时将从混和气中分离出来。

使用___________可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍,此外温度越高,反应速率。

[结论] 有利于提高合成氨反应速率的措施有:①提高反应温度②使用催化剂③适当提高氮氢比④适时分离反应产物氨三、提高合成氨反应的平衡转化率和反应速率的措施四、实际生产中采取的措施:目前,合成氨生产中一般选择作为催化剂。

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压强,大致可分为(1×107Pa)、(2×107~3×108Pa)、(8.5×107~1×108Pa)三种类型,通常采用氮气与氢气物质的量之比为的投料比。

且氮气氢气循环使用。

目前的工艺条件下,合成氨厂出口气的氨含量一般为。

五、合成氨生产流程合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分氮气来自于空气,将空气,先得液态,气体为造气氢气来自于含氢的天然气,煤、炼油产品,反应可表示为净化目的氨的分离(方法将液化)合成氨氮气、氢气的循环使用反馈练习1、合成氨工业的生产中,应采取的适宜条件是()A、高温高压B、适宜的温度,高压催化剂C、低温低压D、高温,高压催化剂2、在一定温度和压强下,合成氨反应达到平衡时,下列操作不会使平衡发生移动的是()A、恒温恒压时充入氨气B、恒温恒容时充入氮气C、恒温恒容时充入氦气D、恒温恒压时充入氦气3、工业合成氨一般采用700K左右的温度,其原因是()①适当提高氨的合成速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在700K时活性最大A、①B、①②C、②③④D、①④4、在合成氨工业中,达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是()A、为增加NH3的日厂量,不断将NH3分离出来B、为增加NH3的日产量,使用催化剂C、为增加NH3的日产量而采用1×107Pa~1×108Pa 的压强D、为增加NH3的日产量,采用700K左右的高温5、二氧化氮存在下列平衡:2NO2(g)N2O4(g)(正反应为放热反应)。

化学平衡移动与合成氨工业

化学平衡移动与合成氨工业

四、合成氨工业的简要流程 合成氨工业的简要流程可用方框图表示为: N2、H2
原料气 的制取
洗涤器
净化
除尘器
压缩
压缩机
合成
合成塔
分离
冷凝器
液氨
(1)原料气的制取 N2:将空气液化、蒸发分离出 N2 或者将空气 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、天然气等)在高温下制取。 用煤和水制 H2 的主要反应为: 高温 催化剂 C+H2O(g)=====CO+H2,CO+H2O(g) ===== CO2+H2 (2)制得的 N2、H2 需净化、除杂质,再用压缩机压缩至高压。 (3)氨的合成:在适宜的条件下,在合成塔中进行。 (4)氨的分离:经冷凝使氨液化,将氨分离出来,为提高原料 的利用率,将没有完全反应的 N2 和 H2 循环送入合成塔,使 其被充分利用。
解析 此反应达平衡后保持温度不变,将气体体积压 1 缩到原来的 ,假设平衡不发生移动,W 的浓度应变 2 为原平衡时的 2 倍,而实际为 1.8 倍,假设不成立, 原平衡必发生移动, W 的浓度为原平衡时的 1.8 倍, 由
小于 2 倍知,平衡一定向 W 减少的方向即逆反应方 向移动,根据勒夏特列原理知:a+b<c+d,平衡移 动的结果导致 Z 的体积分数减小,X 的转化率下降。
例 3 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 混合气中分离出 NH3 ⑧减小 N2 或 H2 的量 A.③④⑤⑦ C.②⑥ B.②⑤⑥ D.②③⑥⑦ ( C ) ⑤及时从平衡 ⑦加催化剂
⑥补充 N2 或 H2
解析
合成氨反应 N2(g)+3H2(g) 2NH(g) 3

化学反应条件的优化---工业合成氨

化学反应条件的优化---工业合成氨

书P65
2NH3(g)
合成氨反应的特点: 合成氨反应的特点:
N2(g)+3H2(g) (1体积 (3体积 体积) 体积) 体积 体积 2NH3(g) △H =-92.2kJ/mol (2体积 体积) 体积
198.2J·K mol mol△S = -198.2J K-1·mol-1
①可逆反应 ②熵减小的反应 正反应气态物质系数减小 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
工业上利用某可逆反应生产产品: 工业上利用某可逆反应生产产品: 一般要使用催化剂:这样可以大大加快化学 一般要使用催化剂: 使用催化剂 反应速率,提高生产效率,也提高了经济效益; 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: 选择合适的温度:该温度是催化剂活性最大 合适的温度 的温度; 的温度; 选择合适的压强: 选择合适的压强:既要考虑化学反应速率和 合适的压强 化学平衡,还要考虑动力、材料、设备等。 化学平衡,还要考虑动力、材料、设备等。
的比例怎么定? 4、浓度怎么定? N2 和H2的比例怎么定? 浓度怎么定?
(阅读书本67页) 阅读书本 页
增大反应物的浓度可以增大反应速率, 增大反应物的浓度可以增大反应速率,减小 反应物的浓度可以增大反应速率 生成物的浓度可以使平衡正向移动。 正向移动 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 的角度分析,在氮气和氢气的物质的量比为1:3 平衡转化率最大 但是实验测得适当提高N 转化率最大, 实验测得适当提高 时,平衡转化率最大,但是实验测得适当提高N2的 浓度, 的物质的量比为1 2.8时 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。 进氨的合成。 实际生产中的处理方法: 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, 出去; 循环利用 液化分离出去;及时将氮气和氢气循环利用,使 的物质的量比为1 其保持一定的浓度。 其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1:2.8
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高考第一轮复习
[复习目标]
1 、理解勒夏特列原理的涵义;掌握 浓度、温度、压强等条件对化学平衡 移动的影响。
2 、利用所学化学反应速率、化学平 衡的原理来解释生活、生产中的实际 问题。
一、合成氨条件的选择
问题1:请同学们写出合成氨的化学反应方程式,并
说明这个反应有什么特点?
N2+3H2 特点:
2NH3
例4、近年来,某些自来水厂在用液氯 进行消毒处理时还加入少量液氨,其反应 的化学方程式为NH3+HClO H2O+NH2Cl (一氯氨),NH2Cl较HClO稳定,试分析 加液氨能延长液氯杀菌时间的原因?
解析:液氨与次氯酸反应生成较HClO稳定 的NH2Cl后,不影响HClO的杀菌效率,且 由于反应可逆,随HClO消耗,平衡逆向移 动,从而延长HClO杀菌时间。
1、在一定温度、压强和有催化剂存在条件下,将N2 和H2按1:3的体积比混合,当反应达平衡时,混合 气中含有m mol的NH3,且NH3的体积分数量为a%, 求起始时N2、H2的物质的量。 设起始状态N2为xmol,则H2为3xmol
思考1:
已知:N2(g)+3H2(g) 2SO2(g)+O2(g) 2NH3(g)+Q, 2SO3(g)+Q回答下列问题:
(1)从影响速率和平衡的因素分析,要有利于NH3和 高温高压催化剂 SO3的生成,理论上应采取的措施是_______。 实际生产中采取的措施分别是中__________ 合成氨:高温、高压、 __________________。 催化剂;合成SO3:高温、常压、催化剂。 (2)在实际生产的合成氨过程中,要分离出氨气,目的 减少生成物浓度,使平衡向生成NH3方向移动 是______________________; 该反应 而合成SO3过程中,不需要分离出SO3,原因是____ 向生成SO3的方向进行程度大,达到平衡后SO2余量 ________________________ 较少,故不需要分离SO3 _______________________。
例2、在氯化铁溶液中加入难溶于水的 碳酸钙粉末,观察到碳酸钙逐渐溶解,产 生无色气体和红褐色沉淀,试解释观察到 的现象。 解析:FeCl3在溶液中能发生水解。 Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+(建立平衡), 加入CaCO3时,它能与H+反应,放出CO2 气体,并使H+浓度减少(条件改变),使 平衡向正反应方向移动(平衡移动),生 成的Fe(OH)3不断增加,从而产生红褐色沉 淀(产生结果)。
四、化学平衡的有关计算—程序法
1、建立解题程序模式
mA(g)+nB(g) = pC(g)+qD(g) 3、依照题意,列式求解 n平(反应物)
起始浓度 解题的突破点: 数值之比等于方程式中相应物质系数之比。 n转(反应物) n转(生成物) n平(生成物) = 转化浓度 [由方程式系数求出] 平衡浓度 2、确定关系 (1)确定转化浓度是解题的关键 (2)反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度 生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓 转化浓度 转化率 (3) 100% 起始浓度 (4)混合气体的平均分子量 m总 M 混 或M 混 M 1 v1 % M 2 v2 % n总
压 温 用
高 低
压 温
无影 响
一、合成氨条件的选择
合 成 氨 的 适 宜 条 件
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:500℃左右,该温度 是合成氨催化剂的活性温度; 选择合适的压强:20MPa~50MPa,该 压强下进行生产,对动力、材料、设备 等来说正合适。 实际生产中,还需将生成的NH3及时分离 出来,并不断向体系中补充N2、H2以增加反 应物浓度,使平衡向合成氨的方向进行。
例3、BiCl3水解生成BiOCl(BiOCl难溶于水). (1)BiCl3水解的反应方程式为: BiCl3+H2O BiOCl+2HCl ________________。 (2)医药上把BiOCl叫做次氯酸铋,分析这种名 称是否合理:______________。 不合理;因为BiOCl中,Cl的化合价为-1价 (3)把适量BiCl3溶于浓NaCl溶液中或溶于含有 少量盐酸的水中能得到澄清溶液,试用平衡移动 浓NaCl溶液中,Cl-抑制BiCl3的 原理分析可能的原因:___________ 溶解,使Bi3+的浓度减少;盐酸抑制Bi3+的水解 ___________________。
思考2:
合成氨工业中,原料气(N2、H2及少量CO、NH3 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CO,其反应是: [Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac· CO+Q
(1)必须除去原料气中CO的原因是 除CO的原因是防止合成塔中的催化剂中毒 ______________________。 (2)醋酸二氨合铜(I)吸收CO的生产适宜条件应是 吸收CO的适宜条件应选择:低温、高压; ______________________。 (3)吸收CO后的醋酸铜氨溶液经过适当处理又可再 生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸铜氨溶 高温低压。 。 液再生的生产适宜条件应是___________
思考3:有平衡体系CO (g) +2H2 (g) CH3OH (g) +Q,为了增加甲醇的产量, 工厂应采取的正确措施是( ) B
A、高温高压
B、适宜温度高压催化剂 C、低温低压
D、低温高压催化剂
[典型例题分析] 例1、氯化铜溶液为淡蓝色,当加入浓 盐酸后,溶液就会变成黄绿色,这种 颜色变化是由下列可逆反应引起的: [Cu(H2O)4]2++4Cl- [CuCl4]2-+4H2O 下列方法能使溶液变成淡蓝色的是 (AB ) A、加蒸馏水 B、加AgNO3溶液 C、加NaCl溶液 D、加盐酸
a、可逆反应 b、正反应放热 c、正反应是气体体积减小的反应。
问题2:请同学们分析工业生产主要要考虑哪些问题? 首 要:经济效益与社会效益 基本要求:a、单位时间内产量高
b、原料利用率高
ห้องสมุดไป่ตู้
反应速率问题
化学平衡问题
问题3:根据以上要求,分别从化学反应速率和化学平
衡两个角度分析合成氨的合适条件。


高 高 使
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