2011版高中化學(xué)全程學(xué)習(xí)方略課件：2.4 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-合成氨(魯科版選修4)

【例1】（雙選）下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，不能用平衡移動原理來解釋的是A.使用鐵觸媒有利于合成氨的反應(yīng)B.高壓比常壓更加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.使反應(yīng)混合物中的氨液化有利于合成氨的反應(yīng)【自主解答】選A、C。使用鐵觸媒，能同等程度的加快正逆反應(yīng)的速率，但正逆反應(yīng)速率仍相等，因而平衡不發(fā)生移動，只是可以縮短達(dá)到平衡所需的時(shí)間，不能用平衡移動原理來解釋。由于合成氨的正反應(yīng)是一個(gè)氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)可以使平衡向著生成氨的方向移動，可以用平衡移動原理解釋。合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低溫雖然可以提高氨氣的產(chǎn)量，但是反應(yīng)速率太慢，而溫度太高雖能加快反應(yīng)速率，但卻使平衡混合物中氨氣的含量降低，因此工業(yè)生產(chǎn)一般采用適宜的溫度，既能加快反應(yīng)速率又能適當(dāng)維持平衡混合物中氨氣的含量，500℃左右鐵觸媒的活性最高，因此此選項(xiàng)不能用平衡移動原理來解釋。將生成物氨氣液化分離，降低了生成物的濃度，將使平衡向生成氨的方向移動，有利于氨的生成，可以用平衡移動原理來解釋。【變式訓(xùn)練】合成氨的反應(yīng)為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)采取的適宜條件是（）A.低溫、高壓、催化劑B.高溫、高壓C.盡可能的高溫、高壓D.適宜的溫度、高壓、催化劑【解析】選D。根據(jù)合成氨的反應(yīng)特點(diǎn)以及工業(yè)上合成氨的具體要求綜合考慮答案選D?！纠?】（2010·長沙高二檢測）在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=－198kJ·mol-1。下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率（%）（1）從理論上分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是_____。（2）實(shí)際生產(chǎn)中，選定400～500℃作為操作溫度其原因是_____。（3）實(shí)際生產(chǎn)中，采用的壓強(qiáng)為常壓，其原因是___。（4）在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是___________。（5）尾氣中有SO2必須回收是為了________________?！舅悸伏c(diǎn)撥】解答本題時(shí)要注意以下三點(diǎn)：【自主解答】（1）觀察反應(yīng)的特點(diǎn)可以得出要想使平衡正向移動，可以采取的措施為低溫、高壓。（2）由于400～500℃是較高溫度，而升高溫度雖然會使反應(yīng)速率加快，但是通過上表分析對生成物的產(chǎn)率影響不大，所以主要原因是此溫度時(shí)催化劑的活性最大。（3）因?yàn)樵诔合?00～500℃時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設(shè)備及動力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，故采用常壓。（4）增大氧氣的濃度，相當(dāng)于增大了反應(yīng)物的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率。（5）尾氣是一種污染性氣體，所以在反應(yīng)結(jié)束后需對其進(jìn)行尾氣處理，以減少對環(huán)境的污染。答案：(1)低溫，高壓(2)該溫度是催化劑的活性溫度，選擇此溫度可提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間(3)因?yàn)樵诔合?00～500℃時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高了，若再加壓，對設(shè)備及動力系統(tǒng)要求高，加大了成本和能量消耗，不適宜(4)增大氧氣的濃度，使平衡向生成SO3的方向移動，提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率(5)減少對環(huán)境的污染1.（2010·龍巖高二檢測）合成氨工業(yè)中，常加熱到700K左右的溫度，理由是（）①適當(dāng)提高合成氨的反應(yīng)速率②提高氫氣轉(zhuǎn)化率③提高氨的產(chǎn)率④催化劑在700K時(shí)活性最大A.①B.①②C.②③④D.①④【解析】選D。從平衡的角度，溫度越低，越有利于合成氨，使反應(yīng)正向移動，從而提高氨的產(chǎn)率，但溫度越低，反應(yīng)速率越小，且催化劑活性差。故工業(yè)合成氨選擇700K主要考慮在產(chǎn)率不太低的情況下提高速率和催化劑活性。2.對于合成氨工業(yè)，只從提高合成氨反應(yīng)速率的方面來看，從下列條件中選擇最適宜的組合是（）①高溫②低溫③低壓④高壓⑤催化劑⑥加氨⑦除氨A.②④⑤⑦B.②③④⑦C.①④⑤⑦D.②③⑤⑥【解析】選C。本題考查的是從反應(yīng)速率的角度分析合成氨的適宜條件，首先高溫高壓催化劑均可以加快合成氨的反應(yīng)速率，關(guān)鍵是加氨還是除氨對反應(yīng)速率如何影響，可以從合成氨的速率方程式來進(jìn)行分析，由速率方程v=kc（N2）c1.5（H2）c-1（NH3）可知，速率與氨的濃度的1次方呈反比關(guān)系，所以在反應(yīng)過程中，隨著氨氣濃度的增加反應(yīng)速率會逐漸降低，因此為了保證足夠高的反應(yīng)速率，應(yīng)該適時(shí)將氨從混合物中分離出來。故答案選C。3.某條件下合成氨達(dá)平衡時(shí)氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，若反應(yīng)前后條件保持不變，則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的比是（）A．1/5B.1/4C.1/3D.1/2【解析】選A。通過假設(shè)反應(yīng)前N2、H2的物質(zhì)的量，結(jié)合反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化率與化學(xué)方程式中系數(shù)的關(guān)系，列方程求算。設(shè)起始時(shí)H2的物質(zhì)的量為a,N2的物質(zhì)的量為b，平衡時(shí)NH3為x，則3H2+N22NH3起始時(shí)：ab0平衡后：a-3x/2b-x/2x依題意可得方程：x/[(a-3x/2)+(b-x/2)+x]=25%則可求得x=1/5（a+b）減小的體積與原體積的比值為x/（a+b）=1/5。4.（2010·金華十校聯(lián)考）在密閉容器中，反應(yīng)X2(g)+Y2(g)2XY（g）ΔH＜0，達(dá)到甲平衡。在僅改變某一條件后，達(dá)到乙平衡，對此過程的分析正確的是（）A.圖Ⅰ是加入適當(dāng)催化劑的變化情況B.圖Ⅱ是擴(kuò)大容器體積的變化情況C.圖Ⅲ是增大壓強(qiáng)的變化情況D.圖Ⅲ是升高溫度的變化情況【解析】選D。選項(xiàng)A，加入催化劑只是同等程度的改變正逆反應(yīng)速率，對平衡無影響，A錯；選項(xiàng)B，由于反應(yīng)前后氣體分子數(shù)沒有變化，所以改變壓強(qiáng)對平衡無影響，但是擴(kuò)大容積，反應(yīng)物濃度減小，反應(yīng)速率應(yīng)該降低，B錯；選項(xiàng)C，反應(yīng)前后氣體分子數(shù)沒有變化，增大壓強(qiáng)對XY的百分含量無影響，C錯；選項(xiàng)D，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率加快，先達(dá)到平衡，但是平衡逆向移動，根據(jù)圖示此選項(xiàng)正確，D正確。5.工業(yè)上合成氨是在一定條件下進(jìn)行如下反應(yīng)：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92.2kJ·mol-1，其部分工藝流程如圖所示：反應(yīng)體系中各組分的部分性質(zhì)見下表（1）寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K=_____。隨著溫度升高，K值_____（填“增大”、“減小”或“不變”）。（2）平衡常數(shù)K值越大，表明_____（填字母）。A.其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率越高B.其他條件相同時(shí)NH3的產(chǎn)率越大C.原料中N2的含量越高D.化學(xué)反應(yīng)速率越快（3）從平衡移動的角度分析合成氨的適宜條件為__________。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中采用的條件是__________。（4）在工業(yè)上采取氣體循環(huán)的流程，即反應(yīng)后通過把混合氣體的溫度降低到_____使_____分離出來；繼續(xù)循環(huán)的氣體是_____，此種做法的優(yōu)點(diǎn)__________。（5）實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)合成氨時(shí)，考慮濃度對化學(xué)平衡的影響，還采取了一些措施。請寫出其中的一個(gè)措施：___________________________________________?！窘馕觥浚?）由方程式N2（g）+3H2（g）2NH3（g）不難寫出：，此反應(yīng)ΔH<0，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向吸熱方向移動，即向左移動，［NH3］減小，［N2］和［H2］增大，故K減小。（2）平衡常數(shù)K值越大，說明［NH3］越大，［N2］和［H2］越小，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度大，故其他條件相同時(shí)N2的轉(zhuǎn)化率就越高，NH3的產(chǎn)率就越大。（注：產(chǎn)率是指實(shí)際產(chǎn)生的NH3與理論產(chǎn)生的NH3的物質(zhì)的量之比）。（3）合成氨的反應(yīng)特點(diǎn)為放熱、氣體體積減小的反應(yīng)，故增大壓強(qiáng)和降低溫度均會使平衡右移，故從平衡角度看適宜條件為低溫、高壓，但實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮反應(yīng)速率和設(shè)備條件，故生產(chǎn)條件一般為700K，1×107～1×108Pa。（4）根據(jù)氣體的熔、沸點(diǎn)可知，氨氣容易液化，使其分離可使平衡正向移動，剩余N2和H2循環(huán)使用，以提高N2和H2的利用率。（5）實(shí)際生產(chǎn)中從濃度角度考慮，可增大便宜原料濃度或及時(shí)移走生成物，均可提高轉(zhuǎn)化率。答案：（1）減小（2）A、B（3）低溫、高壓700K，1×107Pa～1×108Pa（4）-33.42℃氨N2和H2

提高N2和H2的利用率（5）加入過量的N2（或及時(shí)從平衡混合物中移走NH3）A組（30分鐘50分）一、選擇題（本題包括4小題，每小題6分，共24分）1.（雙選）下列有關(guān)工業(yè)合成氨的敘述中正確的是（）A.溫度升高，不利于提高合成氨的反應(yīng)速率B.工業(yè)上選擇合適的條件，可以使氮?dú)馊哭D(zhuǎn)化為氨C.合成氨反應(yīng)化學(xué)平衡的移動受到溫度、反應(yīng)物濃度、壓強(qiáng)等因素的影響D.使用鐵觸媒，可以使氮?dú)夂蜌錃饣系乃俾拭黠@加快【解析】選C、D。A項(xiàng)說法是完全錯誤的，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，從提高反應(yīng)速率角度來說，合成氨是溫度越高越好，但溫度越高氮的轉(zhuǎn)化率越低，因此選擇700K左右的溫度是綜合反應(yīng)速率、化學(xué)平衡和催化劑的活化溫度三方面考慮的。B項(xiàng)說法也是完全錯誤的，任何可逆反應(yīng)都是有限度的，無論選擇怎樣適宜的條件，氮?dú)庖膊粫耆D(zhuǎn)化為氨。C項(xiàng)，降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動；增大反應(yīng)物濃度，減小生成物濃度，有利于平衡向生成氨的方向移動，工業(yè)生產(chǎn)上就是不斷地向合成塔中送入高濃度的氮?dú)浠旌蠚猓⒉粩嗟貙⑸傻陌狈蛛x出去；壓強(qiáng)越大越有利于平衡向生成氨的方向移動，但增大壓強(qiáng)要受到設(shè)備的制約。D項(xiàng)，使用催化劑可以顯著提高化學(xué)反應(yīng)速率，應(yīng)注意催化劑的活化溫度，因其是催化劑最能發(fā)揮催化作用的溫度，鐵觸媒的活化溫度為700K左右。2.完全相同的兩個(gè)容器A和B，已知A裝有SO2和O2各1g，B中裝有SO2和O2各2g，在相同溫度下達(dá)到平衡，設(shè)A中SO2的轉(zhuǎn)化率為a%，B中SO2的轉(zhuǎn)化率為b%，則A、B兩個(gè)容器中SO2的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系是（）A.a%>b%B.a%=b%C.a%<b%D.無法確定【解析】選C。從圖中可以看出Ⅰ和Ⅱ?qū)俚刃胶?Ⅱ變到Ⅲ需加壓,平衡向正反應(yīng)方向移動,所以,a%<b%3.反應(yīng)：A(氣)+3B(氣)2C(氣)ΔH＜0達(dá)平衡后，將氣體混合物的溫度降低，下列敘述中正確的是（）A.正反應(yīng)速率加大，逆反應(yīng)速率變小，平衡向正反應(yīng)方向移動B.正反應(yīng)速率變小，逆反應(yīng)速率加大，平衡向逆反應(yīng)方向移動C.正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率都變小，平衡向正反應(yīng)方向移動D.正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率都變小，平衡向逆反應(yīng)方向移動【解析】選C。若達(dá)到平衡后降低溫度，則對正逆反應(yīng)速率來說均減小，由于此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以平衡正向移動，答案選C。4.（雙選）（2010·江蘇高考）在溫度、容積相同的3個(gè)密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，測得反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)如下（已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1)下列說法正確的是（）A．2c1>c3B．a(chǎn)+b=92.2C．2p2<p3D．a(chǎn)1+a3<1【解析】選B、D。A項(xiàng)，甲和乙為等效平衡，c1=c2，丙可以看成是兩個(gè)乙合并，并將容積壓縮成一半而得，壓縮有利于N2和H2合成NH3，所以c3>2c2，又c1=c2，所以A項(xiàng)錯；B項(xiàng)，N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1，1molN2和3molH2的能量比2

molNH3高92.2kJ，甲和乙為等效平衡，它們的平衡狀態(tài)相同，它們的平衡狀態(tài)是三種氣體共存，能量比1molN2和3molH2的能量低akJ，比2molNH3能量高bkJ，所以a+b=92.2，B項(xiàng)正確；C項(xiàng)，丙可以看成是兩個(gè)乙合并，并將容積壓縮成一半而得，壓縮有利于N2和H2合成NH3，氣體的量減小，壓強(qiáng)減小，所以2p2>p3，C項(xiàng)錯；D項(xiàng)，設(shè)想一個(gè)實(shí)驗(yàn)丁，其反應(yīng)物投入量為甲的兩倍，其他條件與甲相同，丁的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率記為a4，丁可以看成是兩個(gè)甲合并，并將容積壓縮成一半而得，壓縮有利于N2和H2合成NH3，所以a4>a1，丁與丙為等效平衡，a4+a3=1，所以a1+a3<1，D項(xiàng)正確。二、非選擇題（本題包括2小題，共26分）5.（10分）一定溫度下，向某密閉容器中充入1molN2和3molH2,使之反應(yīng)合成NH3，平衡后，測得NH3的體積分?jǐn)?shù)為m，若溫度不變，只改變起始加入量，使之重新達(dá)到平衡后，NH3的體積分?jǐn)?shù)仍為m。若用x、y、z表示N2、H2和NH3起始加入的物質(zhì)的量，則應(yīng)滿足：(1)溫度、體積恒定時(shí)，若x=0,y=0,則z=_____。(2)溫度體積恒定時(shí)，若x=0.75mol,則y=_____。z=_____。溫度壓強(qiáng)恒定時(shí)，若x=0.75mol,則y=_____，z應(yīng)滿足_____。(3)溫度、壓強(qiáng)恒定時(shí)，x、y、z應(yīng)滿足的關(guān)系是：_________?！窘馕觥看祟}考查等效平衡理論的具體應(yīng)用。（1）當(dāng)溫度、體積恒定時(shí)，由于合成氨反應(yīng)是一個(gè)氣體分子數(shù)有變化的反應(yīng)，所以要想和原平衡是等效平衡只能是加入的物質(zhì)轉(zhuǎn)化后和原來加入的物質(zhì)的量相等。根據(jù)以上分析所以加入的氨氣的物質(zhì)的量為2mol。（2）根據(jù)以上分析，則將氨氣完全轉(zhuǎn)化成N2和H2，

N2+3H22NH3原反應(yīng)：1mol3mol現(xiàn)反應(yīng)：0.75molyz轉(zhuǎn)化：1/2z3/2zz所以0.75mol+1/2z=1moly+3/2z=3mol解得：z=0.5moly=2.25mol溫度壓強(qiáng)恒定時(shí)，根據(jù)等效平衡理論，可知只要保證投料比相同即可，即解得y=2.25z≥0。（3）溫度壓強(qiáng)恒定時(shí)，根據(jù)等效平衡理論，可知只要保證把加入的物質(zhì)都轉(zhuǎn)化成氮?dú)夂蜌錃馀c原來加入的氮?dú)馀c氫氣的體積比相等就可以，根據(jù)條件可知只需滿足x∶y=1∶3z≥0即可。答案：(1)2mol(2)2.25mol0.5mol2.25molz≥0(3)x∶y=1∶3，z≥06.（16分）科學(xué)家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。目前合成氨技術(shù)原理為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1。（1）673K，30MPa下，上述合成氨反應(yīng)中n（NH3）和n（H2）隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示。下列敘述正確的是___________。A.點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的大B.點(diǎn)c處反應(yīng)達(dá)到平衡C.點(diǎn)d和點(diǎn)e處的n（N2）相同D.773K，30MPa下，t2時(shí)刻也是該反應(yīng)的平衡點(diǎn)，則n（NH3）比圖中e點(diǎn)的值大（2）在容積為2.0L恒容的密閉容器中充入0.80molN2(g)和1.60molH2(g),反應(yīng)在673K、30MPa下進(jìn)行，達(dá)到平衡時(shí),NH3的體積分?jǐn)?shù)為20%。該條件下反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常數(shù)K=_____?！窘馕觥浚?）a、b兩點(diǎn)均未達(dá)到平衡，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，且正反應(yīng)速率逐漸減小，逆反應(yīng)速率逐漸增大，則點(diǎn)a的正反應(yīng)速率比點(diǎn)b的大；點(diǎn)c處，c（H2）=c（NH3），相等并不是不變，此點(diǎn)未達(dá)到平衡；點(diǎn)d（t1時(shí)刻）和點(diǎn)e（t2時(shí)刻）處都是處在平衡狀態(tài)，n（N2）或c（N2）不變；溫度升高，合成氨的可逆反應(yīng)平衡逆向移動，n（H2）或c（H2）增大，n（NH3）減小。（2）設(shè)在反應(yīng)過程中N2的物質(zhì)的量的變化為x。

3H2+N22NH3起始/mol1.600.800轉(zhuǎn)化/mol3xx2x平衡/mol1.60-3x0.80-x2x答案：（1）A、C（2）（或1.07mol-2·L2或1.1mol-2·L2)B組氨是最重要的氮肥，是產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一。德國人哈伯在1905年發(fā)明了合成氨的方法，其合成原理為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ/mol，他因此獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。試回答下列問題：（1）合成氨工業(yè)中采取的下列措施可用勒·夏特列原理解釋的是_____（填字母）。A.采用較高壓強(qiáng)（20～50MPa）B.采用500℃的高溫C.用鐵觸媒作催化劑D.將生成的氨液化并及時(shí)從體系中分離出來，N2和H2循環(huán)到合成塔中并補(bǔ)充N2和H2（2）在一定溫度下，將1molN2和3molH2混合氣體充入一容積不變的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；保持溫度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，容器中氣體壓強(qiáng)為起始時(shí)的，平衡狀態(tài)記為P。則：(ａ)平衡時(shí)容器中NH3的體積分?jǐn)?shù)是_____。(ｂ)若保持溫度不變，開始時(shí)向容器中加入amolN2、bmolH2和cmolNH3，要使反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，且達(dá)到平衡后各氣體的物質(zhì)的量與原平衡狀態(tài)P相同，則起始時(shí)，c的取值范圍是_____。【解析】（1）勒·夏特列原理即為平衡移動原理，可以解釋的是與化學(xué)平衡有關(guān)的問題，根據(jù)題意可得答案選A、D。（2）（a）N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始（mol）：130轉(zhuǎn)化（mol）：x3x2x平衡（mol）：1-x3-3x2x（b）N2(g)+3H2(g)2NH3(g)平衡（mol）：0.61.80.8起始1（mol）：130起始2（mol）：002根據(jù)以上計(jì)算可得：0.8＜c≤2答案：（1）A、D（2）(a)25%(b)0.8<c≤2

科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法。曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道：在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑（摻有少量Fe2O3的TiO2）表面與水發(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH3。進(jìn)一步研究NH3