考點30合成氨條件的選擇高考化學知識點全程講解

1、450考點 30 合成氨條件的選擇1復習重點1如何應(yīng)用化學反應(yīng)速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。2. 了解應(yīng)用化學原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。2難點聚焦1合成氨條件的選擇工業(yè)上用 N 2 和 H2 合成氨：N2+3H 22NH 3+Q從反應(yīng)速率和化學平衡兩方面看，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、壓強大（即N2、 H2 濃度大）都會提高反應(yīng)速率；從化學平衡 看，溫度低、壓強大都有利于提高N 2 和 H 2 的轉(zhuǎn)化率?？梢?， 壓強增大 ，從反應(yīng)速率和化學平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實際考慮，壓強越大， 需要的動力越大，對材料的強度和設(shè)

2、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到這個目的。 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550，即溫度應(yīng)在 450550為宜。將來如制出活性溫度更低、活性也很在的新型催化劑時，合成氨使用的溫度當然比現(xiàn)在要低，轉(zhuǎn)化率就能更高了。選擇適宜的條件：根據(jù) N2+3H 2 2NH 3+Q 這一反應(yīng)的特點，運用化學反應(yīng)速率和化學平衡

3、的理論來選擇適宜條件。該反應(yīng)為可逆、體積減小、正反應(yīng)為放熱等特點。（ 1）適宜的壓強：為何強調(diào)適宜？壓強越大、有利于NH 3 的合成，但太大，所需動力大，材料強度高，設(shè)備制造要求高，成本提高，選擇2× 1075× 107Pa 壓強。思考：工業(yè)上生產(chǎn)H 2SO4： 2SO2(g)+O 2(g)2SO3(g) 為何不采用加壓方法？（因為在常壓下 SO2 的轉(zhuǎn)化率已達 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？因為溫度越低， 反應(yīng)速率越小， 達平衡時間長， 單位時間產(chǎn)量低， 另外 5000C 時，催化劑活性最大。（ 3

4、）使用催化劑（ 4）及時分離出NH 3，并不斷補充N2 和 H2（ N2 要過量，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： 2050MPa 帕斯卡溫度： 500左右催化劑：鐵觸媒2合成氨工業(yè)簡述1原料氣的制備、凈化 制N：壓縮蒸發(fā)2物理方法：空氣液態(tài)空氣N2化學方法：空氣CO 2 +N2N2炭（去 CO2）制 H2：燃燒H2O水蒸氣 CO+H+HH2CO222赤熱炭（去 CO2）催化劑反應(yīng)方程式為：催化劑CO+HC+HO（ g） =CO+H ； CO+HO（g） =22222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)的特點化學反應(yīng)：

5、N2+3H22NH3 ; 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際生產(chǎn)中，需要考慮反應(yīng)速率、化學平衡、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 下列說法，能夠用勒沙特列原理來解釋的是（）A. 加入催化劑可以提高單位時間氨的產(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，使壓強增大，則平衡正向移動， NH 3 增多解析 A. 加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達平衡的時間，

6、提高“單位時間”的產(chǎn)量，不能使化學平衡發(fā)生移動。注意：催化劑能相同倍數(shù)地改變正、逆反應(yīng)速率，故而不改變化學平衡狀態(tài)。B. 合成氨是一個氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強，使平衡正方向移動，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。C. 因為合成氨是一個放熱反應(yīng)， 所以從化學平衡移動角度分析， 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。采用 500既考慮到溫度對速率的影響，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 N 2、H2、NH 3 反應(yīng)。雖總壓強增大了，實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，NH 3 的產(chǎn)量不變。答案B

7、點評勒沙特列原理是說改變影響平衡的一個條件，平衡就向能夠減弱這種改變的方法移動。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 ) 在進入合成塔前常用乙酸二氨合銅 ( ) 溶液來吸收原料氣中 CO，其反應(yīng)為：Cu(NH3) 2Ac+CO+NH3Cu(NH3) 3Ac · CO； H<0(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)過適當處理后又可再生，恢復其吸收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，

8、某些物質(zhì)會使催化劑的活性降低甚至消失，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+NH3Cu(NH3) 3Ac · CO； H<0從而發(fā)生催化可知，加壓和采取較低的溫度可使平衡向正反應(yīng)方向移動，有利于CO的吸收。要使吸收 CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當處理后又可再生， 恢復其吸收 CO的能力以供循環(huán)使用， 只要使平衡向逆反應(yīng)方向移動即可。答案： (1) 防止催化劑中毒；(2) 低溫、高壓；(3) 高溫、低壓。 點評 在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，適宜生產(chǎn)條件的選擇需要考慮反應(yīng)速率、化學平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面因素。例 3 溫度、

9、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)達平衡時；氨氣濃度最大的一組是（）ABCDH 2613.55N 22011.5NH 30421分析 2NH 3N2 3H2 .根據(jù)反應(yīng)“一邊倒”換算 .B0261 7C0233.56.5D021.5 5 6.5由此可知，符合題意的是B.解答B(yǎng) 小結(jié) 可逆反應(yīng)，在條件相同時（等溫等容），若達到等同平衡，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. 因此可以采用一邊倒的原則來處理以下問題：（1）化學平衡等同條件（等溫等容）aA(g) bB(g)cC(g)始始始a0xb0y0cz平衡態(tài)平衡態(tài)平衡

10、態(tài)為了使平衡根據(jù)“一邊倒”原則，即可得xaz axz1cacybz bn z1cbc例 4 合成氨工廠常通過測定反應(yīng)前后混合氣體的密度來確定氮的轉(zhuǎn)化率。某工廠測得合成塔中 N2、H2 混合氣體的密度為 0.5536g/L( 標準狀況 ) ，從合成塔中出來的混合氣體在相同條件下密度為 0.693g/L( 標準狀況 ) 。求該合成氨廠 N2 的轉(zhuǎn)化率。解析 由于題目中沒有告訴起始物質(zhì)的量，也沒有說明N2、 H 2 是按化學方程式中物質(zhì)的計量數(shù)投放物料，因此部分學生就假設(shè)N 2 為 1molH 2 為 3mol，進行解題，依據(jù)是不足的。故本題解答時只能設(shè)反應(yīng)前混合氣體中氮氣的物質(zhì)的量分數(shù)為x，氫氣物

11、質(zhì)的量分數(shù)為(1-x) ，依題意得：28x+2(1-x)=0.5536 × 22.4設(shè)起始有氮氣 2mol，氫氣為 3mol，氮氣轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為y，N2+ 3H22NH3起始物質(zhì)的量2mol3mol0mol轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量ymol3ymol2ymol平衡物質(zhì)的量2-ymol3-3ymol2ymoln 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%點評本題是一道化學平衡綜合計算題，考查學生綜合計算的解題能力。正確的計算方法應(yīng)是先由兩種混合氣體的密度， 分別計算出反應(yīng)前后兩種混合氣體的平均式量， 由氫

12、氨混合氣的平均式量求出反應(yīng)氣體中氫氣、氮氣的體積比，再按合成氨化學反應(yīng)中有關(guān)起始，轉(zhuǎn)化、平衡物質(zhì)的量的關(guān)系及平衡時混合氣體的平均式量，從而求出氮氣的轉(zhuǎn)化率。4實戰(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)C 500左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)D合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率2對于可逆反應(yīng)： N 2(g) + 3H 2(g)2NH 3(g) ( 正反應(yīng)為放熱反應(yīng) )。下列說法中正確的是（）A 達到平衡時， NH 3 的生成速率等于NH 3 的分解速率B達到平衡時，反

13、應(yīng)物和生成物的濃度一定相等C達到平衡時，若加入N2，在重新達平衡時，NH 3 的濃度比原平衡時增大，H2 的濃度比原平衡時減小D達到平衡時，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3工業(yè)上合成氨時一般采用500左右的溫度，其原因是（）適當提高氨的合成速率提高 H 2 的轉(zhuǎn)化率提高氨的產(chǎn)率催化劑在 500時活性最大A 只有B CD 4將 H 2 和 N 2 的混合氣體通入合成塔中，經(jīng)過1 個小時達到平衡，此時N2、H2、 NH 3 的濃度分別為 3、 7、 4（單位均為 mol/L ），則以下敘述正確的（）N 2 的反應(yīng)速率為2mol/(L ·h

14、) H 2 的反應(yīng)速率為 7 mol/(L ·h) H2 的起始濃度為 13mol/LN 2 起始濃度為 2 mol/L H 2 的轉(zhuǎn)化率為 46.2%A B CD5有平衡體系： CO(g)+2H 2(g)CH 3OH(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：2NO 2(g)N 2O4(g) （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。在測定NO2的相對分子質(zhì)量時，下列條件中較為適宜的是（）A 、溫度 130、壓強 3.03× 105PaB、溫度 25、壓強

15、 1.01×105PaC、溫度 130、壓強 5.05× 104PaD 、溫度 0、壓強 5.05×104Pa7在 N2 +3H 22NH 3 的平衡體系中， 當分離出 NH 3 時，下列說法中正確的是 （）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 + H 2O(g)CO 2 + H 2(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。要使 CO 轉(zhuǎn)化率提高，（）A 增大 H 2O(g) 的濃度B 增大 CO 的濃度C降低溫度D 增大壓強二、填空題1一定溫度下某密閉容器中進行反應(yīng)：

16、N 2 +3H 22NH 3 ，達平衡后保持容器體積一定，通入N2，平衡移動。保持容器體積一定，通入Ar ，平衡移動。保持容器壓強一定，通入Ar ，平衡移動。保持容器體積一定，通入 N2、H 2、NH 3，使?jié)舛榷甲優(yōu)樵瓉淼? 倍，平衡移動。2在一定條件下，1molN 2 和 3molH 2 混合后反應(yīng)，達到平衡時測得平衡混合物的密度是同溫同壓下氫氣的5 倍，則氮氣的轉(zhuǎn)化率是。若在同一個容器中，在相同的溫度下，向容器中充入NH 3，為使達到平衡時各成分的百分含量與上述平衡時相同，則起始時充入的 NH 3 的物質(zhì)的量為。三、計算題恒溫下，將amolN 2 與bmolH 2 的混合氣體通入一個固定容積的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N 2(g)+3H 2(g)2NH 3(g)（ 1）若反應(yīng)進行到某時刻 t 時， nt（ N2）=13mol ，nt（ NH 3） =6mol ，計算 a 的值。（ 2）反應(yīng)達平衡時，混合氣體的體積為 716.8L （標準狀況下） ，其中 NH 3 的含量（體積分數(shù)）為 25%。計