第二冊第二章第4節(jié)合成氨條件的選擇

1、年 級高二學(xué) 科化學(xué)版 本人教版內(nèi)容標(biāo)題合成氨條件的選擇編稿老師王嶺【本講教育信息】一. 教學(xué)內(nèi)容：合成氨條件的選擇 二. 重點(diǎn)、難點(diǎn)1. 使學(xué)生理解合成氨的化學(xué)原理，并能應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論，選擇合成氨的適宜條件，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。2. 了解合成氨工業(yè)生產(chǎn)的主要流程。3. 向?qū)W生介紹我國解放后合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，對學(xué)生進(jìn)行愛國主義教育。三. 具體內(nèi)容（一）原理 1體積 3體積 2體積（正反應(yīng)放熱）合成氨反應(yīng)分析角度 反應(yīng)要求外界條件使氨生成得快（從化學(xué)反應(yīng)速率分析）使氨生成得多（從化學(xué)平衡分析）壓強(qiáng)（高壓）（高壓）溫度（高溫）（低溫）是否要用催化劑（使用）（不

2、影響）唯物辯證法告訴我們：一切從實(shí)際出發(fā)，要全面地分析問題綜合考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的條件，再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)和實(shí)際需要，才能正確地選擇合成氨工業(yè)的適宜條件。 （二）適宜條件的選擇1. 壓強(qiáng)。增大壓強(qiáng)，有利于的合成，但在實(shí)際生產(chǎn)中，壓強(qiáng)不可能無限制的增大，因為壓強(qiáng)越大，需要的動力越大，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，勢必增大生產(chǎn)成本，降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此，受動力、材料、設(shè)備等條件的限制，目前我國合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)是。2. 溫度。合成氨為放熱反應(yīng)，低溫有利于氨的生成。但是溫度越低，反應(yīng)速率越慢，到達(dá)平衡所需要的時間越長，因而單位時間內(nèi)產(chǎn)量低，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟(jì)的。綜合考

3、慮各種因素，在實(shí)際生產(chǎn)上，采用500的溫度，此時催化劑的活性最大。3. 催化劑。由于分子非常穩(wěn)定， 與 的化合十分困難，即使采用了加熱與高壓的條件，合成氨的反應(yīng)還是十分緩慢。為了加快化合反應(yīng)速率，降低反應(yīng)所需要的能量，合成氨工業(yè)普遍使用鐵觸媒作催化劑。合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理可以用以下化學(xué)方程式表示：（三）綜合分析：1. 增加與的體積比，并不斷分離出，同時補(bǔ)充和的濃度。2. 增大壓強(qiáng)為設(shè)備鋼板能承受的程度，一般為。3. 由于催化劑活性的需要應(yīng)掌握在500?！镜湫屠}】例1 在某容積一定的密閉容器中，可逆反應(yīng)：，符合下列圖象（I）所示關(guān)系。由此推斷對圖象（II）的正確說法是（ ） A. ，Y軸表示A

4、的轉(zhuǎn)化率B. ，Y軸表示B的百分含量C. ，Y軸表示混合氣體的密度D. ，Y軸表示混合氣體的平均相對分子質(zhì)量 I II解析：依圖（I）中，確定P，看T1、T2曲線，先拐說明先達(dá)到平衡，由此可知；同樣確定T，看P1、P2曲線，由先拐先平，可知；再觀察曲線與縱坐標(biāo)關(guān)系，可知當(dāng)Tc%，則平衡向左移動，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，Pc%，則平衡向右移動，。由圖（I）所得結(jié)論，分析圖II，可知y代表A的轉(zhuǎn)化率，還可表示混合氣體的平均相對分子質(zhì)量。答案：A、D例2 將加入到V升的反應(yīng)器中，在高溫下放電，經(jīng)建立了平衡體系： ，此時測知的轉(zhuǎn)化率為30%，下列圖象能正確表示氣體的物質(zhì)的量濃度（m）跟時間（t）的關(guān)系的是（

5、 ） A B C D解析：根據(jù)題意可知如下幾點(diǎn)：（1）O2轉(zhuǎn)化率為30%。（2）開始反應(yīng)器中無O3，經(jīng)計算又可知，但平衡時，則A、B、D錯誤。答案：C例3 在容積不同的密閉容器內(nèi)，分別充入同量的和，在不同溫度下，任其發(fā)生反應(yīng)：，并分別在t秒時測定其中的體積百分含量，如圖。（1）A、B、C、D、E五點(diǎn)中，尚未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點(diǎn)是 。（2）此可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是 （反應(yīng)）（填“放熱”或“吸熱”）。（3）A、C段的曲線是增函數(shù)，C、E段曲線是減函數(shù)，試從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的角度說明理由： 。解析：首先弄懂此圖的涵義，從0C是平衡前，由于正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進(jìn)行，%，T升高，從CE是平衡時，T升高

6、，平衡向移動，%下降。答案：（1）A、B；（2）放熱；（3）C點(diǎn)生成%最高，是平衡點(diǎn)，在AC段平衡前，CE段升高溫度，%含量減少，正向放熱，升溫平衡逆向移動。例4 合成氨所用的可由煤與水反應(yīng)制得，其中有一步反應(yīng)為，欲提高CO轉(zhuǎn)化率可采用的方法有： 降低溫度； 增加壓強(qiáng)； 使用催化劑； 增大CO的濃度； 增大水蒸氣的濃度；其中正確的組合是（ ）A. B. C. D. 只有解析：該反應(yīng)是一個氣體總體積不變的放熱反應(yīng)，欲提高CO的轉(zhuǎn)化率，可設(shè)法使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，顯然降低溫度可以滿足這一要求，增加水蒸氣的濃度，平衡向正反應(yīng)方向轉(zhuǎn)動，CO的轉(zhuǎn)化率也可以增大；但若增加CO的濃度，平衡雖然向右移動

7、，但CO的總量增大，其轉(zhuǎn)化率反而減小，增大壓強(qiáng)的使用催化劑的操作只能加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)平衡的時間，而與平衡時CO的轉(zhuǎn)化率無關(guān)。答案：B例5 下列事實(shí)不能用勒沙特列原理解釋的是（ ）A. 加入催化劑有利于合成氨的反應(yīng)B. 高壓有利于合成氨的反應(yīng)C. 500有利于合成氨的反應(yīng)D. 將混合氣體中的氨氣液化有利于合成氨反應(yīng)答案：AC解析：合成氨的反應(yīng)是一個氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，加壓能使平衡向生成氨的方向移動，升溫不利于生成氨，但能使催化劑活性大，提高反應(yīng)速率；將氨液化降低氨氣濃度，平衡向生成氨氣方向移動；催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間。例6 在一定條件下，合成氨反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)，此時，

8、再進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是（ ）A. 恒溫、恒壓時，充入NH3B. 恒溫、恒容時，充入N2C. 恒溫、恒壓時，充入HeD. 恒溫、恒容時，充入He解析：在一定溫度下，向平衡混合氣體中加入不參與反應(yīng)的氣體，若體積未改變，則對平衡無影響；若體積增大，則對平衡有影響，其影響情況與不加入該氣體而增大體積時對平衡的影響情況相同。同時改變影響平衡的兩個條件時，為使平衡移動情況變得有規(guī)律可循，一般需要設(shè)計另外一條到達(dá)同一平衡狀態(tài)的途徑，即先只改變其中一個條件，再改變另一個條件。該題需應(yīng)用平衡移動原理對題給選項逐項分析。A項，充入NH3會改變NH3的濃度，對平衡有影響；為保持恒壓，須增大體積，對平衡也

9、有影響。為便于判斷平衡移動的方向，可這樣設(shè)想：先在恒溫、恒容下充入NH3，這時由于NH3的濃度增大，平衡會向NH3分解的方向移動；再在恒溫下增大體積（即減小壓強(qiáng)），使壓強(qiáng)與原平衡相等，這時平衡也會向NH3分解的方向移動所以，在恒溫、恒壓下充入NH3，會使平衡向NH3分解的方向移動。B項，在恒溫、恒容下充入N2，會使N2的濃度增大、從而使平衡向生成NH3的方向移動。C項，He不參與化學(xué)反應(yīng)，但在恒溫、恒壓下充入He，必須引起體積增大，這如同減小平衡混合氣體的壓強(qiáng)，平衡會向NH3分解的方向移動。D項，在恒溫、恒容下充入He，由于平衡混合物中任一組分的濃度均未改變，所以平衡不移動。應(yīng)選D。答案：D【

10、模擬試題】（答題時間：40分鐘）一. 選擇題（每小題有一個或兩個選項符合題意）1. 在N2+3H2 2NH3（正反應(yīng)為放熱）的平衡體系中，保持溫度不變，充入氬氣，使容器體積和壓強(qiáng)均增大一倍，此時平衡將（ ）A. 不移動 B. 向正反應(yīng)方向移動C. 向逆反應(yīng)方向移動 D. 不能確定是否移動2. 工業(yè)上合成氨時一般采用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時活性最大A. B. C. D. 3. 在合成氨工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)下列目的變化過程中與平衡移動無關(guān)的是（ ）A. 為增加NH3的日產(chǎn)量，不斷將NH3分離出來B. 為增加NH3的日產(chǎn)量

11、，使用催化劑C. 為增加NH3的日產(chǎn)量，采用500左右的高溫D. 為增加NH3的日產(chǎn)量而采用21075107Pa的壓強(qiáng)4. 在帶有活塞的密閉容器中壓入5molH2和5molN2，在某溫度下經(jīng)反應(yīng)生成2mol NH3，若此時容器的壓強(qiáng)不變，則容器體積是反應(yīng)前的（ ）A. 2倍B. 1.5倍 C. 0.8倍 D. 0.5倍5. 合成氨所需的氫氣由煤與水發(fā)生反應(yīng)制得，其中一步反應(yīng)為：CO+H2OCO2+H2（正反應(yīng)為放熱），要使CO轉(zhuǎn)化率提高，可采用下列措施中的（ ）A. 增大水蒸氣的濃度 B. 增大CO的濃度C. 降低溫度 D. 增大壓強(qiáng)6. 將含1mol NH3的密閉容器a加熱，部分NH3分解，

12、并達(dá)到平衡，此時NH3的體積分?jǐn)?shù)是x。若在該容器中加入2mol NH3后密封，加熱到相同溫度，使反應(yīng)達(dá)到平衡時，設(shè)此時NH3的體積分?jǐn)?shù)為y，則x和y的正確關(guān)系是（ ）A. xy B. xy C. x= y D. xy7. 在一定條件下，可逆反應(yīng)x（氣）+3y（氣）2z（氣）達(dá)到平衡時，有37.5的y轉(zhuǎn)化為z，有25的x轉(zhuǎn)化為z。則起始時，充入容器中的x和y的物質(zhì)的量之比為（ ）A. 1:3 B. 3:1 C. 3:2D. 1:28. 在固定容積的密閉容器中，氮與氫合成氨的反應(yīng)達(dá)到了平衡，此時容器中含有0.1mol N2、0.3mol H2和0.1mol NH3，若維持原來的條件，向該容器中再同

13、時加入0.1mol N2、0.3mol H2和0.1mol NH3，則（ ）A. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，化學(xué)平衡不移動B. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)增大C. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動D. 正、逆反應(yīng)速率不變，化學(xué)平衡不移動9. 下面是合成氨的簡要流程示意圖：沿X路線回去的物質(zhì)是（ ）A. N2和H2 B. 催化劑 C. NH3 D. H210. 工業(yè)上用以合成氨的原料氣氫氣，來源之一是取自石油氣，如用丙烷在一定條件下與水反應(yīng)：C3H8+H2OCO2+H2，按此原理1mol丙烷最多可制氨氣約為（ ）A. 4molB. 10mol C. 2.7m

14、ol D. 6.6mol二. 填空題11. 工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為N2（氣）+3H2（氣）2NH3（氣）反應(yīng)放熱92.4kJ。（1）使用鐵觸媒作催化劑是為了_。（2）通常采用2107Pa5107Pa的壓強(qiáng)，原因是_。（3）選擇500左右的溫度進(jìn)行反應(yīng)，是由于_。（4）將生成的氨及時從混合氣中分離出來，原因是_。12. 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將67.2L氮?dú)夂?4.8L氫氣混合，在一定條件下使之反應(yīng)合成氨氣，反應(yīng)達(dá)到平衡時，測得反應(yīng)后的混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)為30。（1）平衡時反應(yīng)混合物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的總體積是_。（2）平衡時混合氣體中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)是 。13. 合成氨工業(yè)采用高壓條件進(jìn)行反應(yīng)；接觸法制硫酸

15、工業(yè)采用常壓條件進(jìn)行反應(yīng)，其理由是_。三. 計算題14. 將N2和H2按一定比例混合，在相同狀況下其密度是H2的3.6倍。取0.5mol該混合氣體充入密閉容器內(nèi)，使之發(fā)生反應(yīng)并在一定條件下達(dá)到平衡。已知反應(yīng)達(dá)平衡后容器內(nèi)壓強(qiáng)是相同條件下反應(yīng)前壓強(qiáng)的0.76倍。試求：（1）反應(yīng)前混合氣體中N2和H2的體積比；（2）達(dá)到平衡時混合氣體中氨的物質(zhì)的量；（3）平衡時N2的轉(zhuǎn)化率。15. 在密閉容器中充入體積比為1:3的N2、H2，平衡時測得混合氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)為20，則此時容器內(nèi)的壓強(qiáng)與開始時的壓強(qiáng)比是多少？16. 有平均式量為8.5的氫氮混合氣體，通過合成塔后出來的混合氣體的平均式量為9.4，求H2的轉(zhuǎn)化率?！驹囶}答案】一. 1. C 2. D 3. B、C 4. C 5. A、C 6. B 7. D 8. B 9. A 10. D二. 11.（1）提高反應(yīng)速率。（2）該反應(yīng)是一個氣體體積數(shù)減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平