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2019-2020 年高二化學(xué) 合成氨條件的選擇知識(shí)精講 人教版第二冊(cè) 【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(wèn)題和解決問(wèn)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(guó)解放后合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)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） （不影響） （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(wú)限制的增大，因?yàn)?壓強(qiáng)越大，需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，勢(shì)必增大生產(chǎn)成本， 降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此，受動(dòng)力、材料、設(shè)備等條件的限制，目前我國(guó)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(shí)間越長(zhǎng)，因而單位時(shí)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 考慮各種因素，在實(shí)際生產(chǎn)上，采用 500℃的溫度，此時(shí)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(shí)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℃。 【典型例題】 [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(duì)圖象（II）的正確說(shuō)法是（ ） A. ，Y 軸表示 A 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(duì)分子質(zhì)量 c%T1P2abt I II 解析：依圖（I）中，確定 P，看 T1、T 2 曲線，先拐說(shuō)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) T↑c(diǎn)%↓，則平衡向左移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，P↑c(diǎn)%↑，則平衡向右移動(dòng)， ， 。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(duì)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(shí)測(cè)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(shí)間（t）的關(guān)系的是（ ） tO23t1O31m2t321t 3 Ot A BtO23t1312t321t C D 解析：根據(jù)題意可知如下幾點(diǎn)： （1）O 2 轉(zhuǎn)化率為 30%。 （2）開(kāi)始反應(yīng)器中無(wú) O3，經(jīng)計(jì)算又可知，但平衡時(shí)，則 A、B 、D 錯(cuò)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(shí)測(cè)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(shuō)明理由： 。 解析：首先弄懂此圖的涵義，從 0→C 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 C→E 是平衡時(shí)，T 升高，平衡向←移動(dòng)，%下降。 答案： （1）A、B； （2）放熱； （3）C 點(diǎn)生成%最高，是平衡點(diǎn)，在 A——C 段平衡前，C——E 段升高溫度，%含量 減少，正向放熱，升溫平衡逆向移動(dòng)。 [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：① 降低溫度；② 增加壓強(qiáng)；③ 使用催化劑；④ 增大 CO 的濃度；⑤ 增大水 蒸氣的濃度；其中正確的組合是（ ） A. ①②③④⑤ B. ①⑤ C. ①④⑤ D. 只有⑤ 解析：該反應(yīng)是一個(gè)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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，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(shí)間，而與平衡時(shí) CO 的轉(zhuǎn)化率無(wú)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(gè)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(dòng)，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(dòng)；催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時(shí)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(shí)，再進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移 動(dòng)的是（ ） A. 恒溫、恒壓時(shí)，充入 NH3 B. 恒溫、恒容時(shí)，充入 N2 C. 恒溫、恒壓時(shí)，充入 He D. 恒溫、恒容時(shí)，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(duì)平衡無(wú)影響；若體積增大，則對(duì)平衡有影響，其影響情況與不加入該氣體而增大體積時(shí) 對(duì)平衡的影響情況相同。 同時(shí)改變影響平衡的兩個(gè)條件時(shí)，為使平衡移動(dòng)情況變得有規(guī)律可循，一般需要設(shè)計(jì) 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(gè)條件，再改變另一個(gè)條件。 該題需應(yīng)用平衡移動(dòng)原理對(duì)題給選項(xiàng)逐項(xiàng)分析。A 項(xiàng)，充入 NH3 會(huì)改變 NH3 的濃度， 對(duì)平衡有影響；為保持恒壓，須增大體積，對(duì)平衡也有影響。為便于判斷平衡移動(dòng)的方向， 可這樣設(shè)想：先在恒溫、恒容下充入 NH3，這時(shí)由于 NH3 的濃度增大，平衡會(huì)向 NH3 分解 的方向移動(dòng)；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(shí)平衡也會(huì)向 NH3 分解的方向移動(dòng)．所以，在恒溫、恒壓下充入 NH3，會(huì)使平衡向 NH3 分解的方向移動(dòng)。 B 項(xiàng)，在恒溫、恒容下充入 N2，會(huì)使 N2 的濃度增大、從而使平衡向生成 NH3 的方向移動(dòng)。 C 項(xiàng)，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(huì)向 NH3 分解的方向移動(dòng)。D 項(xiàng)，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(dòng)。應(yīng)選 D。 答案：D 【模擬試題】 （答題時(shí)間：40 分鐘） 一. 選擇題（每小題有一個(gè)或兩個(gè)選項(xiàng)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(shí)平衡將（ ） A. 不移動(dòng) B. 向正反應(yīng)方向移動(dòng) C. 向逆反應(yīng)方向移動(dòng) D. 不能確定是否移動(dòng) 2. 工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用 500℃左右的溫度，其原因是（ ） ① 適當(dāng)提高氨的合成速率， ②提高 H2 的轉(zhuǎn)化率， ③ 提高氨的產(chǎn)率， ④ 催化劑在 500℃時(shí)活性最大 A. ① B. ①② C. ②③④ D. ①④ 3. 在合成氨工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)下列目的變化過(guò)程中與平衡移動(dòng)無(wú)關(guān)的是（ ） A. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量，不斷將 NH3 分離出來(lái) B. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量，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 2107～510 7Pa 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(shí)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+H 2OCO2+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，并達(dá)到平衡，此時(shí) NH3 的體積分 數(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(shí)，設(shè) 此時(shí) NH3 的體積分?jǐn)?shù)為 y％，則 x 和 y 的正確關(guān)系是（ ） A. x＞y B. x＜y C. x= y D. x≥y 7. 在一定條件下，可逆反應(yīng) x（氣）+3y（氣）2z（氣）達(dá)到平衡時(shí)，有 37.5％的 y 轉(zhuǎn)化 為 z，有 25％的 x 轉(zhuǎn)化為 z。則起始時(shí)，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. 3:2 D. 1:2 8. 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(shí)容器中含有 0.1mol N2、0.3mol H2 和 0.1mol NH3，若維持原來(lái)的條件，向該容器中再同時(shí)加入 0.1mol N2、0.3mol H 2 和 0.1mol NH3，則（ ） A. 正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大，化學(xué)平衡不移動(dòng) B. 正、逆反應(yīng)速率同時(shí)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(shí)增大，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng) D. 正、逆反應(yīng)速率不變，化學(xué)平衡不移動(dòng) 9. 下面是合成氨的簡(jiǎn)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. H2 10. 工業(yè)上用以合成氨的原料氣——?dú)錃猓瑏?lái)源之一是取自石油氣，如用丙烷在一定條 件下與水反應(yīng)：C 3H8+H2O→ CO2+H2，按此原理 1mol 丙烷最多可制氨氣約為（ ） A. 4mol B. 10mol C. 2.7mol D. 6.6mol 二. 填空題 11. 工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為 N2（氣）+3H 2（氣）2NH 3（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 2107Pa～510 7Pa 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(shí)從混合氣中分離出來(lái)，原因是________。 12. 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將 67.2L 氮?dú)夂?44.8L 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(shí)，測(cè)得反應(yīng)后的混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)為 30％。 （1）平衡時(shí)反應(yīng)混合物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的總體積是________。 （2）平衡時(shí)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)；接觸法制硫酸工業(yè)采用常壓條件進(jìn)行反應(yīng)，其 理由是________。 三. 計(jì)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(shí)混合氣體中氨的物質(zhì)的量； （3）平衡時(shí) N2 的轉(zhuǎn)化率。 15. 在密閉容器中充入體積比為 1:3 的 N2、H 2，平衡時(shí)測(cè)得混合氣體中 NH3 的體積分?jǐn)?shù) 為 20％，則此時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)與開(kāi)始時(shí)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(guò)合成塔后出來(lái)的混合氣體的平均式量為 9.4，求 H2 的轉(zhuǎn)化率。 【試題答案】 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(gè)氣體體積數(shù)減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平衡向右移動(dòng)。 （3）合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，不利于氨的生成，但溫度過(guò)低，反應(yīng)速率 很慢，故需采用 500℃左右的適宜溫度，且 500℃左右時(shí)催化劑的活性最大。 （4）減小生成物氨的濃度，有利于化學(xué)平衡向右移動(dòng)。 12. （1）86.2L （2）62.96％ 13. 合成氨的反應(yīng)是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng)，高壓有利于平衡向右移動(dòng)，制 SO3 的反 應(yīng)：2SO 2+O2 2SO3 盡管也是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng)，但在常壓下 SO2 的轉(zhuǎn)化率已較高。 三. 14. （1） （2） （3） 15. 16. 19.15%