高考化學考點解析全程復習考點：合成氨條件的選擇教案

高考化學考點解析全程復習考點：合成氨條件的選擇

1.復習重點

1.如何應用化學反應速率和化學平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。

2.了解應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)上用用和H這成氨：

N2+3H22NH3+Q

從反應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、％濃度大）都會提高反應速率；

從化學平衡看，溫度低、壓強大都有利于提高N2和H2的轉化率。

可見，壓強增大，從反應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20~50MPa帕斯卡。

而溫度升高，有利于反應速率但不利于N2和比的轉化率。

如何在較低的溫度下保持較大轉化率的情況下,盡可能加快反應速率呢？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450C

~550℃,即溫度應在450~550℃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，轉化率就能更高了。

選擇適宜的條件：根據(jù)N2+3H?2NH3+Q這一反應的特點，運用化學反應速

率和化學平衡的理論來選擇適宜條件。該反應為可逆、體積減小、正反應為放熱等特點。

（1）適宜的壓強：為何強調適宜？壓強越大、有利于N%的合成，但太大，所需動力

大,材料強度高，設備制造要求高，成本提高，選擇2X107~5xl（）7pa壓強。

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？（因為在

常壓下SO2的轉化率已達91%,不需要再加壓）

（2）適宜的溫度：溫度越低越有利于NH.；的合成，為何還要選擇500°C高溫？因為溫

度越低，反應速率越小，達平衡時間長，單位時間產(chǎn)量低，另外500°C時，催化劑活性最大。

（3）使用催化劑

（4）及時分離出NM，并不斷補充N2和H2（N2要過量，提高成本較高的H?轉化率）

小結：合成氨的適宜條件：

壓強：20~50MPa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

①制甌壓縮蒸發(fā)

物理方法：空氣—一液態(tài)空氣一一N2

化學方法：炭之一CO2+N2N2

燃燒（去CO2）

②制H：

H2O

水蒸氣CO+H?CO2+H2iL

赤熱炭

催化劑aco2)

反應方程式為:

△催化劑

C+HaO(g)====CO+H2；CO+H2O(g)====CO2+H2

△

注意：制得的電比需要凈化，清除雜質，以防止催化劑“中毒”。

2.合成氨反應的特點

化學反應：N2+3H2-^2NFh;AH=-92.4KJ/mol

（1）可逆反應；（2）正反應是放熱反應；（3）正反應是氣體體積縮小的反應。

3.工業(yè)合成氨適宜條件的選擇

在實際生產(chǎn)中，需要考慮反應速率、化學平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設備等多方面情況,

以確定最佳的生產(chǎn)條件。

對化學反對平衡混合物中

反應條件應速率的NH?含量體積分合成氨條件的選擇

影響數(shù)）的影響

壓強增大，有利于氨的合成、但需

有利于增有利于提高平衡

要的動力大,對材料、設備等要求

增大壓強大化學反混合

也高.因此，工業(yè)上一般采用

應速率物中NH?的含量

20MPa—50Mpa的壓強

溫度升高，化學反應速率增大,但

不利于提高平衡混合物中NH的

有利于增不利于提高平衡3

含量，因此合成氨時溫度要適宜。

混合物中的

升高溫度大化學反NH3

工業(yè)上一般采用500℃左右的溫

應速率含量

度，在這個溫度時＞催化劑的活性

最大

有利于增

使用工業(yè)上一般采用鐵觸媒，使反應能

大化學反沒有影響

催化劑在較低溫度下較快地進行

應速率

4.圖示合成氨的原理

平衡向右邊移動

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

C.500℃高溫比室溫更有利于合成氨的反應

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，NH3

增多

［解析］

A.加入催化劑只能加快反應速率，縮短到達平衡的時間，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、逆反應速率，故而不改變化

學平衡狀態(tài)。

B.舐氨是一個氣體體積減小的反應，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?個放熱反應，所以從化學平衡移動角度分析，應采用較低溫度。500C

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500C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、H,sNH3反應。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，N%的產(chǎn)量不變。

［答案］B

［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(Nz,出及少量的CO,NH,的混合氣)在進入合成塔前常用

乙酸二氨合銅(I)溶液來吸收原料氣中CO,其反應為：

［CU(NH3)2AC］+CO+NH3^=I［CU(NH3)3］AC?CO；AH<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，某些物質會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的反應方程式：

［Cu(NH3)2Ac］+CO+NH:i?=i［Cu(NHa)3］Ac?CO；AH<0

可知，加壓和采取較低的溫度可使平衡向正反應方向移動，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速率、化學平衡、原料

選擇、產(chǎn)量和設備等多方面因素。

例3溫度、催化劑不變，向某一固定體積的密閉容器內(nèi)按下列各組物質的量加入上、收、

NH3,反應達平衡時；氨氣濃度最大的??組是()

ABCD

613.55

H2

2011.5

N2

NH30421

［分析］2NH3V=N2+3H2.根據(jù)反應“一邊倒”換算.

B026+1=7

C023+3.5=6.5

D021.5+5=6.5

由此可知，符合題意的是B.

［解答］B

［小結］可逆反應，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，就是各物質的物質的量要相當.因此可以采用?邊倒的原則來處理以

下問題：令

(1)化學平衡等同條件(等溫等容)

aA(g)+bB(g)cC(g)

①始ab0平衡態(tài)I

②始00c平衡態(tài)H

③始Xyz平衡態(tài)HI

為了使平衡in=11=i

根據(jù)“一邊倒”原則，即可得

,ax.z.

x+—z=a—+—=1

cac

y+—z=b—+—=1

cbc

例4合成氨工廠常通過測定反應前后混合氣體的密度來確定氮的轉化率。某工廠測得合成塔

中收、上混合氣體的密度為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N的轉化率。

［解析］

由于題目中沒有告訴起始物質的量，也沒有說明N2、也是按化學方程式中物質的計量

數(shù)投放物料?，因此部分學生就假設N2為ImolH,為3mol,進行解題，依據(jù)是不足的。故本

題解答時只能設反應前混合氣體中氮氣的物質的量分數(shù)為X,氫氣物質的量分數(shù)為(1-x),依

題意得：

28x+2(l-x)=0.5536X22.4

r042

?a==一

UQfi3

設起始有氮氣2mol,氫氣為3mol,氮氣轉化的物質的量為y,

N2+3H2w2NH,3

起始物質的量2mol3molOmol

轉化物質的量ymol3ymol2ymol

平衡物質的量2-ymol3-3ymol2ymol

n總二(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol

根據(jù)反應前后氣體質量守恒可知

28X2+2*3

5^-=0.693X2Z4

解得y=0.5mol

用的傳It率為xIOOX-25%

［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。正確的計算方法應是先由

兩種混合氣體的密度，分別計算出反應前后兩種混合氣體的平均式量，由氫氨混合氣的平均

式量求出反應氣體中氫氣、氮氣的體積比，再按合成氨化學反應中有關起始，轉化、平衡物

質的量的關系及平衡時混合氣體的平均式量，從而求出氮氣的轉化率。

4.實戰(zhàn)演練

一、選擇題

1.下列有關合成氨工業(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

C.500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應

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：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）（正反應為放熱反應）。下列說法中正確的

是（）

A.達到平衡時，N%的生成速率等于NH3的分解速率

B.達到平衡時，反應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，NH3的濃度比原平衡時增大，氏的濃度比

原平衡時減小

D.達到平衡時，若升高溫度，加快了吸熱反應的速率，降低了放熱反應的速率，所以平衡

向逆反應方向移動

3.工業(yè)上合成氨時一般采用500℃左右的溫度，其原因是（）

⑴適當提高氨的合成速率⑵提高H2的轉化率

⑶提高氨的產(chǎn)率⑷催化劑在500℃時活性最大

A.只有⑴B.⑴⑵C.⑵⑶⑷D.（1）（4）

4.將H2和N2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、玲、NH3的濃

度分別為3、7、4（單位均為mol/L）,則以下敘述正確的（）

①N2的反應速率為2mol/（L?h）②H2的反應速率為7mol/（L-h）③的起始濃度為13moi/L

④N2起始濃度為2mol/L⑤H2的轉化率為46.2%

A.①②B.②⑤C.①③⑤D.②④

5.有平衡體系：CO（g）+2H2（g）4^CH30H（g）（正反應為放熱反應），為了增加甲醇的

產(chǎn)量，工廠應采取的正確措施是（）

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：2NCMg）^^N?04（g）（正反應為放熱反應）。在測定NO?的相

對分子質量時，下列條件中較為適宜的是（）

A、溫度130℃、壓強3.03Xl（）5paB,溫度25℃、壓強l.OlXlCppa

C、溫度130℃、壓強5.05Xl（y*PaD、溫度0℃、壓強5.05義l（/pa

7.在N?+3H2=^2N%的平衡體系中，當分離出N4時，下列說法中正確的是（）

A.正反應速率增大B.平衡向逆反應方向移動

C.正反應速率大于逆反應速率D.逆反應速率先變小后變大

8.合成氨所需的氫氣由煤和水發(fā)生反應制得，其中一步反應為：

CO+H2O（g）CC>2+H2（正反應為放熱反應）。要使CO轉化率提高，（）

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

二、填空題

1.一定溫度下某密閉容器中進行反應：N2+3H2?=^2NH3,達平衡后

①保持容器體積一定，通入N2,平衡移動。

②保持容器體積一定，通入Ar,平衡移動。

③保持容器壓強一定，通