(好資料)考點(diǎn)30合成氨條件的選擇--【精品資料】高考化學(xué)知識(shí)點(diǎn)全程講解

考點(diǎn)30合成氨條件的選擇1復(fù)習(xí)重點(diǎn)1如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。 2.了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。2難點(diǎn)聚焦1合成氨條件的選擇工業(yè)上用N2和H2合成氨： N2+3H2 2NH3+Q 從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面看，選擇什么樣的操作條件才有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本呢？ 從速率看，溫度高、壓強(qiáng)大（即N2、H2濃度大）都會(huì)提高反應(yīng)速率； 從化學(xué)平衡看，溫度低、壓強(qiáng)大都有利于提高N2和H2的轉(zhuǎn)化率。 可見(jiàn)，壓強(qiáng)增大，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實(shí)際考慮，壓強(qiáng)越大，需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，將使成本增大。故一般合成氨廠采用的壓強(qiáng)是2050MPa帕斯卡。而溫度升高，有利于反應(yīng)速率但不利于N2和H2的轉(zhuǎn)化率。如何在較低的溫度下保持較大轉(zhuǎn)化率的情況下，盡可能加快反應(yīng)速率呢？選用合適的催化劑能達(dá)到這個(gè)目的。那么，較低的溫度是低到什么限度呢？不能低于所用催化劑的活性溫度。目前使用的催化劑是以鐵為主體的多成分催化劑又稱鐵觸媒。其活性溫度為450550，即溫度應(yīng)在450550為宜。將來(lái)如制出活性溫度更低、活性也很在的新型催化劑時(shí)，合成氨使用的溫度當(dāng)然比現(xiàn)在要低，轉(zhuǎn)化率就能更高了。選擇適宜的條件：根據(jù)N2+3H2 2NH3+Q這一反應(yīng)的特點(diǎn)，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的理論來(lái)選擇適宜條件。該反應(yīng)為可逆、體積減小、正反應(yīng)為放熱等特點(diǎn)。（1）適宜的壓強(qiáng)：為何強(qiáng)調(diào)適宜？壓強(qiáng)越大、有利于NH3的合成，但太大，所需動(dòng)力大，材料強(qiáng)度高，設(shè)備制造要求高，成本提高，選擇21075107Pa壓強(qiáng)。思考：工業(yè)上生產(chǎn)H2SO4：2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)為何不采用加壓方法？（因?yàn)樵诔合耂O2的轉(zhuǎn)化率已達(dá)91%，不需要再加壓）（2）適宜的溫度：溫度越低越有利于NH3的合成，為何還要選擇5000C高溫？因?yàn)闇囟仍降?，反?yīng)速率越小，達(dá)平衡時(shí)間長(zhǎng)，單位時(shí)間產(chǎn)量低，另外5000C時(shí)，催化劑活性最大。（3）使用催化劑（4）及時(shí)分離出NH3，并不斷補(bǔ)充N2和H2（N2要過(guò)量，提高成本較高的H2轉(zhuǎn)化率）小結(jié)：合成氨的適宜條件： 壓強(qiáng)：2050MPa帕斯卡 溫度：500左右 催化劑：鐵觸媒2合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述蒸發(fā)1原料氣的制備、凈化壓縮 制N2： 物理方法： 空氣 液態(tài)空氣 N2 （去CO2）燃燒炭化學(xué)方法： 空氣 CO2+N2 N2 H2O制H2：（去CO2）催化劑 赤熱炭水蒸氣 CO+H2 CO2+H2 H2 催化劑 反應(yīng)方程式為： C+H2O（g）= CO+H2；CO+H2O（g）= CO2+H2注意：制得的N2、H2需要凈化，清除雜質(zhì)，以防止催化劑“中毒”。2.合成氨反應(yīng)的特點(diǎn) 化學(xué)反應(yīng)：N2+3H2 2NH3 ; H=-92.4KJ/mol （1）可逆反應(yīng)； （2）正反應(yīng)是放熱反應(yīng)； （3）正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。3工業(yè)合成氨適宜條件的選擇在實(shí)際生產(chǎn)中，需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面情況，以確定最佳的生產(chǎn)條件。4. 圖示合成氨的原理3例題精講例1 下列說(shuō)法，能夠用勒沙特列原理來(lái)解釋的是（ ）A. 加入催化劑可以提高單位時(shí)間氨的產(chǎn)量B. 高壓有利于氨的合成反應(yīng) C. 500高溫比室溫更有利于合成氨的反應(yīng) D. 恒溫恒容下，在合成氨平衡體系中充入He，使壓強(qiáng)增大，則平衡正向移動(dòng)，NH3增多解析 A. 加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，提高“單位時(shí)間”的產(chǎn)量，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。注意：催化劑能相同倍數(shù)地改變正、逆反應(yīng)速率，故而不改變化學(xué)平衡狀態(tài)。B. 合成氨是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)，使平衡正方向移動(dòng)，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。C. 因?yàn)楹铣砂笔且粋€(gè)放熱反應(yīng)，所以從化學(xué)平衡移動(dòng)角度分析，應(yīng)采用較低溫度。500高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動(dòng)。采用500既考慮到溫度對(duì)速率的影響，更主要的是500左右催化劑活性最大。D. 恒溫恒容下充He，惰性氣體He不與N2、H2、NH3反應(yīng)。雖總壓強(qiáng)增大了，實(shí)際上平衡體系各成分濃度不變（即分壓不變）所以平衡不移動(dòng)，NH3的產(chǎn)量不變。答案 B點(diǎn)評(píng) 勒沙特列原理是說(shuō)改變影響平衡的一個(gè)條件，平衡就向能夠減弱這種改變的方法移動(dòng)。不要混淆影響速率的條件和影響平衡的條件。例2：合成氨工業(yè)中，原料氣(N2，H2及少量的CO，NH3的混合氣)在進(jìn)入合成塔前常用乙酸二氨合銅()溶液來(lái)吸收原料氣中CO，其反應(yīng)為：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3 Cu(NH3)3AcCO；H0(1)必須除去原料氣中CO的原因是什么？(2)吸收CO的生產(chǎn)適宜條件是什么？(3)吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，再生的適宜條件是什么？解析 合成氨工業(yè)中要使用催化劑，某些物質(zhì)會(huì)使催化劑的活性降低甚至消失，從而發(fā)生催化劑中毒。故必須除去原料氣中CO。根據(jù)吸收原料氣中CO的反應(yīng)方程式：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3 Cu(NH3)3AcCO；H0可知，加壓和采取較低的溫度可使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，有利于CO的吸收。要使吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，只要使平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)即可。答案：(1)防止催化劑中毒；(2)低溫、高壓；(3)高溫、低壓。點(diǎn)評(píng) 在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，適宜生產(chǎn)條件的選擇需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面因素。例3溫度、催化劑不變，向某一固定體積的密閉容器內(nèi)按下列各組物質(zhì)的量加入H2、N2、NH3，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)；氨氣濃度最大的一組是（ ）ABCDH2613.55N22011.5NH30421 分析 2NH3 N2 3H2.根據(jù)反應(yīng)“一邊倒”換算. B 0 2 617 C 0 2 33.56.5 D 0 2 1.556.5 由此可知，符合題意的是B.解答 B小結(jié) 可逆反應(yīng)，在條件相同時(shí)（等溫等容），若達(dá)到等同平衡，其初始狀態(tài)必須能互變，從極限角度看，就是各物質(zhì)的物質(zhì)的量要相當(dāng).因此可以采用一邊倒的原則來(lái)處理以下問(wèn)題： （1）化學(xué)平衡等同條件（等溫等容） aA(g)bB(g) cC(g) 始 a b 0 平衡態(tài) 始 0 0 c 平衡態(tài) 始 x y z 平衡態(tài) 為了使平衡 根據(jù)“一邊倒”原則，即可得 xza 1 yzb 1例4合成氨工廠常通過(guò)測(cè)定反應(yīng)前后混合氣體的密度來(lái)確定氮的轉(zhuǎn)化率。某工廠測(cè)得合成塔中N2、H2混合氣體的密度為0.5536g/L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，從合成塔中出來(lái)的混合氣體在相同條件下密度為0.693g/L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。求該合成氨廠N2的轉(zhuǎn)化率。解析由于題目中沒(méi)有告訴起始物質(zhì)的量，也沒(méi)有說(shuō)明N2、H2是按化學(xué)方程式中物質(zhì)的計(jì)量數(shù)投放物料，因此部分學(xué)生就假設(shè)N2為1molH2為3mol，進(jìn)行解題，依據(jù)是不足的。故本題解答時(shí)只能設(shè)反應(yīng)前混合氣體中氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)為x，氫氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為(1-x)，依題意得：28x+2(1-x)=0.553622.4設(shè)起始有氮?dú)?mol，氫氣為3mol，氮?dú)廪D(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為y，N2 + 3H2 2NH3起始物質(zhì)的量2mol 3mol 0mol轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量ymol 3ymol 2ymol平衡物質(zhì)的量 2-ymol 3-3ymol 2ymoln總=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol根據(jù)反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒可知解得 y=0.5mol答案25%點(diǎn)評(píng) 本題是一道化學(xué)平衡綜合計(jì)算題，考查學(xué)生綜合計(jì)算的解題能力。正確的計(jì)算方法應(yīng)是先由兩種混合氣體的密度，分別計(jì)算出反應(yīng)前后兩種混合氣體的平均式量，由氫氨混合氣的平均式量求出反應(yīng)氣體中氫氣、氮?dú)獾捏w積比，再按合成氨化學(xué)反應(yīng)中有關(guān)起始，轉(zhuǎn)化、平衡物質(zhì)的量的關(guān)系及平衡時(shí)混合氣體的平均式量，從而求出氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率。4實(shí)戰(zhàn)演練一、選擇題1下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來(lái)解釋的是 （ ）A使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨B高壓比低壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)C500左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D合成氨時(shí)采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率2對(duì)于可逆反應(yīng)：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。下列說(shuō)法中正確的是 （ ）A達(dá)到平衡時(shí)，NH3的生成速率等于NH3的分解速率B達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)物和生成物的濃度一定相等C達(dá)到平衡時(shí)，若加入N2，在重新達(dá)平衡時(shí)，NH3的濃度比原平衡時(shí)增大，H2的濃度比原平衡時(shí)減小D達(dá)到平衡時(shí)，若升高溫度，加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)3工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用500左右的溫度，其原因是 （ ）適當(dāng)提高氨的合成速率 提高H2的轉(zhuǎn)化率提高氨的產(chǎn)率 催化劑在500時(shí)活性最大A只有 B C D4將H2和N2的混合氣體通入合成塔中，經(jīng)過(guò)1個(gè)小時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)N2、H2、NH3的濃度分別為3、7、4（單位均為mol/L），則以下敘述正確的 （ ）N2的反應(yīng)速率為2mol/(Lh) H2的反應(yīng)速率為7 mol/(Lh) H2的起始濃度為13mol/LN2起始濃度為2 mol/L H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%A B C D 5有平衡體系：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，工廠應(yīng)采取的正確措施是 （ ）A.高溫、高壓 B.適宜溫度、高壓、催化劑C.低溫、低壓 D.低溫、高壓、催化劑6二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g) N2O4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。在測(cè)定NO2的相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，下列條件中較為適宜的是 （ ）A、溫度130、壓強(qiáng)3.03105Pa B、溫度25、壓強(qiáng)1.01105PaC、溫度130、壓強(qiáng)5.05104Pa D、溫度0、壓強(qiáng)5.05104Pa7在N2 +3H2 2NH3的平衡體系中，當(dāng)分離出NH3時(shí)，下列說(shuō)法中正確的是（ ）A正反應(yīng)速率增大 B平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)C正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率 D逆反應(yīng)速率先變小后變大 8合成氨所需的氫氣由煤和水發(fā)生反應(yīng)制得，其中一步反應(yīng)為：CO + H2O(g) CO2 + H2(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。要使CO轉(zhuǎn)化率提高，（ ）A增大H2O(g)的濃度 B增大CO的濃度C降低溫度 D增大壓強(qiáng)二、填空題1一定溫度下某密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)：N2 +3H22NH3 ，達(dá)平衡后保持容器體積一定，通入N2，平衡 移動(dòng)。保持容器體積一定，通入Ar，平衡 移動(dòng)。保持容器壓強(qiáng)一定，通入Ar，平衡 移動(dòng)。保持容器體積一定，通入N2、H2、NH3，使?jié)舛榷甲優(yōu)樵瓉?lái)的2倍，平衡 移動(dòng)。2在一定條件下，1molN2和3molH2混合后反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)測(cè)得平衡混合物的密度是同溫同壓下氫氣的5倍，則氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率是 。若在同一個(gè)容器中，在相同的溫度下，向容器中充入NH3，為使達(dá)到平衡時(shí)各成分的百分含量與上述平衡時(shí)相同，則起始時(shí)充入的NH3的物質(zhì)的量為 。三、計(jì)算題恒溫下，將amolN2與bmolH2的混合氣體通入一個(gè)固定容積的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)（1）若反應(yīng)進(jìn)行到某時(shí)刻t時(shí)，nt（N2）=13mol，nt（NH3）=6mol，計(jì)算a的值。（2）反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，混合氣體的體積為716.8L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），其中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）為25%。計(jì)算平衡時(shí)