高考化學(xué)考點(diǎn)解析全程復(fù)習(xí)考點(diǎn)：合成氨條件的選擇教案

高考化學(xué)考點(diǎn)解析全程復(fù)習(xí)考點(diǎn)：合成氨條件的選擇

1.復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1.如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。

2.了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。

2.難點(diǎn)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(yīng)速率和化學(xué)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(qiáng)大（即N2、％濃度大）都會(huì)提高反應(yīng)速率；

從化學(xué)平衡看，溫度低、壓強(qiáng)大都有利于提高N2和H2的轉(zhuǎn)化率。

可見，壓強(qiáng)增大，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實(shí)際考慮，

壓強(qiáng)越大，需要的動(dòng)力越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，將使成本增大。故一般

合成氨廠采用的壓強(qiáng)是20~50MPa帕斯卡。

而溫度升高，有利于反應(yīng)速率但不利于N2和比的轉(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(dá)到這個(gè)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(yīng)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(shí)，合成氨使用的溫度當(dāng)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?2NH3+Q這一反應(yīng)的特點(diǎn)，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速

率和化學(xué)平衡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(diǎn)。

（1）適宜的壓強(qiáng)：為何強(qiáng)調(diào)適宜？壓強(qiáng)越大、有利于N%的合成，但太大，所需動(dòng)力

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

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?yàn)樵?/p>

常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已達(dá)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?yàn)闇?/p>

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

（3）使用催化劑

（4）及時(shí)分離出NM，并不斷補(bǔ)充N2和H2（N2要過量，提高成本較高的H?轉(zhuǎn)化率）

小結(jié)：合成氨的適宜條件：

壓強(qiáng)：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(xué)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(yīng)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(zhì)，以防止催化劑“中毒”。

2.合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)

化學(xué)反應(yīng)：N2+3H2-^2NFh;AH=-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(shí)際生產(chǎn)中，需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)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。

對(duì)化學(xué)反對(duì)平衡混合物中

反應(yīng)條件應(yīng)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(qiáng)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(dòng)力大,對(duì)材料、設(shè)備等要求

增大壓強(qiáng)大化學(xué)反混合

也高.因此，工業(yè)上一般采用

應(yīng)速率物中NH?的含量

20MPa—50Mpa的壓強(qiáng)

溫度升高，化學(xué)反應(yīng)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(shí)溫度要適宜。

混合物中的

升高溫度大化學(xué)反NH3

工業(yè)上一般采用500℃左右的溫

應(yīng)速率含量

度，在這個(gè)溫度時(shí)＞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(yīng)能

大化學(xué)反沒有影響

催化劑在較低溫度下較快地進(jìn)行

應(yīng)速率

4.圖示合成氨的原理

平衡向右邊移動(dòng)

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(shí)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(qiáng)增大，則平衡正向移動(dòng)，NH3

增多

［解析］

A.加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，提高“單位時(shí)間”的產(chǎn)量，

不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。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(xué)平衡狀態(tài)。

B.舐氨是一個(gè)氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)，使平衡正方向移動(dòng)，有利于合

成氨，符合勒沙特列原理。

C.因?yàn)楹铣砂笔?個(gè)放熱反應(yīng)，所以從化學(xué)平衡移動(dòng)角度分析，應(yīng)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(dòng)。采用500℃既考慮到溫度對(duì)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(yīng)。雖總壓強(qiáng)增大了，實(shí)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(dòng)，N%的產(chǎn)量不變。

［答案］B

［點(diǎn)評(píng)］

勒沙特列原理是說改變影響平衡的一個(gè)條件,平衡就向能夠減弱這種改變的方法移動(dòng)。

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(jìn)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(yīng)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(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)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(zhì)會(huì)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(yīng)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(yīng)方向移動(dòng)，有利于CO的吸收。要使吸

收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)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(dòng)即可。

答案：(1)防止催化劑中毒；(2)低溫、高壓；(3)高溫、低壓。

［點(diǎn)評(píng)］在實(shí)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(xué)平衡、原料

選擇、產(chǎn)量和設(shè)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(zhì)的量加入上、收、

NH3,反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)；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(yīng)“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(jié)］可逆反應(yīng)，在條件相同時(shí)(等溫等容)，若達(dá)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(dāng).因此可以采用?邊倒的原則來處理以

下問題：令

(1)化學(xué)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(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

中收、上混合氣體的密度為0.5536g/L(標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀況)。求該合成氨廠N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、也是按化學(xué)方程式中物質(zhì)的計(jì)量

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

題解答時(shí)只能設(shè)反應(yīng)前混合氣體中氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)為X,氫氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為(1-x),依

題意得：

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

r042

?a==一

UQfi3

設(shè)起始有氮?dú)?mol,氫氣為3mol,氮?dú)廪D(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為y,

N2+3H2w2NH,3

起始物質(zhì)的量2mol3molOmol

轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量ymol3ymol2ymol

平衡物質(zhì)的量2-ymol3-3ymol2ymol

n總二(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

28X2+2*3

5^-=0.693X2Z4

解得y=0.5mol

用的傳It率為xIOOX-25%

［答案］25%

［點(diǎn)評(píng)］

本題是一道化學(xué)平衡綜合計(jì)算題，考查學(xué)生綜合計(jì)算的解題能力。正確的計(jì)算方法應(yīng)是先由

兩種混合氣體的密度，分別計(jì)算出反應(yīng)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(yīng)氣體中氫氣、氮?dú)獾捏w積比，再按合成氨化學(xué)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(shí)混合氣體的平均式量，從而求出氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率。

4.實(shí)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(shí)采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率

2.對(duì)于可逆反應(yīng)：N2（g）+3H2（g）2NH3（g）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。下列說法中正確的

是（）

A.達(dá)到平衡時(shí)，N%的生成速率等于NH3的分解速率

B.達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)物和生成物的濃度一定相等

C.達(dá)到平衡時(shí)，若加入N2,在重新達(dá)平衡時(shí)，NH3的濃度比原平衡時(shí)增大，氏的濃度比

原平衡時(shí)減小

D.達(dá)到平衡時(shí)，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(dòng)

3.工業(yè)上合成氨時(shí)一般采用500℃左右的溫度，其原因是（）

⑴適當(dāng)提高氨的合成速率⑵提高H2的轉(zhuǎn)化率

⑶提高氨的產(chǎn)率⑷催化劑在500℃時(shí)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(gè)小時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)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(yīng)速率為2mol/（L?h）②H2的反應(yīng)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(zhuǎn)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(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：2NCMg）^^N?04（g）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。在測定NO?的相

對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，下列條件中較為適宜的是（）

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

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

7.在N?+3H2=^2N%的平衡體系中，當(dāng)分離出N4時(shí)，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(dòng)

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+H2O（g）CC>2+H2（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。要使CO轉(zhuǎn)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(qiáng)

二、填空題

1.一定溫度下某密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)：N2+3H2?=^2NH3,達(dá)平衡后

①保持容器體積一定，通入N2,平衡移動(dòng)。

②保持容器體積一定，通入Ar,平衡移動(dòng)。

③保持容器壓強(qiáng)一定，通