高中化学 第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨 鲁科版

(4)浓度
合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为 1∶2.8的投料比，及时将氨气从反应混合物 中分离出去。此外，还应考虑原料的_价__格_、 未转化的合成气的_循__环__使用、__反__应__热_的综 合利用等问题。
自主体验
1．从化学反应速率和化学平衡两方面考虑, 合成氨应采用的条件是( ) A．低温、高压、催化剂 B．低温、低压、催化剂 C．高温、高压、催化剂 D．适当温度、低压、催化剂
第4节 化学反应条件的优化——工 业合成氨
课程标准导航
1.认识合成氨的化学原理。 2．应用化学平衡和化学反应速率的有关知 识选择合成氨的条件。 3．了解合成氨生产的主要流程。 4．了解工业条件选择的依据和原则。
新知初探自学导引
自主学习
一、合成氨反应的限度
1．合成氨的化学原理及特点
(1)反应 原理：N2 (g)＋ 3H2(g)
要点归纳 1．提高反应的平衡转化率和反应速率的措施
提高反应的平衡转化率
性质
措施
放热 降低温度
分子数减小 增大压强
平衡常数不 大
降低温度
氨气浓度降 低使平衡过
程正移
降低NH3 浓度
提高化学反应速率
性质
措施
活化能高
加催 化剂
低温时反应 升高
速率低 温度
原料气体浓 度增加能提 高反应速率
增大
N2、 H2的 浓度
同时还可增大廉价原料的用量，及时分离出 产物，既可以增大反应速率，又可提高平衡 转化率。
即时应用 1．合成氨的反应： N2 ＋ 3H2 在一定条件下已达 到平衡状态。
2NH3，
(1)此时 __________相等， __________保持不 变，而 __________却仍在进 行，因此化学平 衡是 __________平衡。
解析：选C。根据合成氨反应的特点、外界 条件对反应速率和化学平衡的影响及催化剂 的活性进行选择。
2．合成氨时，既要使H2的转化率增大，又要使 反应速率增大，可采取的方法是( )
A．补充H2 C．增大压强
B．升高温度 D．使用催化剂
解析：选C。补充H2，使反应速率加快，但H2 的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左
移，H2的转化率降低；增大压强，反应速率加 快，平衡右移，H2的转化率提高；催化剂只能 加快反应速率，而不会提高反应物的转化率。
3．在合成氨工业中，达到下列目的的变化 过程中与平衡移动无关的是( )
①为增加NH3的日产量，不断将NH3分离出 来
②为增加NH3的日产量，使用催化剂 ③为增加NH3的日产量而采用1×107 Pa～ 1×108 Pa的压强
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中, 应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指 标来选择压强，大致分为__低__压__、__中__压_和 __高__压__三种类型。
(2)温度 温度越高，反应速率_越__大_，但不利于氨的合 成，在实际生产中一般控制反应温度在_7_0_0_ K左右(且在此温度时催化剂的活性_最__大__)。 (3)催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成 氨生产一般选择__铁____做催化剂。
v正增 大
v逆减 小
催化剂 增大
平 衡
其他
适宜条件
向 右 移 动
另一反 应物转 化率增 大不明
显
①不断补充 N2、
H2(1∶2.8)循 环操作②及 时分离NH3
Fe为主的多
成分催化剂
特别提醒
工业生产中化学反应条件优化的一般原则工 业生产中既要考虑反应速率快，又要考虑原 料利用率高，所以在选择生产条件时，应从 这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限 制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特 别要适应催化剂的活性，如合成氨及合成三 氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范 围内选择；
④为增加NH3的日产量，采用700 K左右的高 温
A．①②
B．③④
C．①③
D．②④
解析：选D。②中催化剂不能使平衡移动， ④中升高温度，平衡逆向移动，不利于NH3 的生成，故选D。
要点突破讲练互动
合成氨适宜条件的选择
探究导引1 怎样考虑合成氨的适宜条件？ 提示：运用化学反应速率和化学平衡移动原 理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、 设备等因素，选择合成氨的适宜条件。
(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨 的方向移动，则正反应是__________反应， 生成1 mol NH3的热效应数值为46.1 kJ，则 该反应的热化学方程式为 __________________________。 (3)合成氨时，选择500 ℃高温的目的是 __________________________
氨气浓度增 加能降低反
应速率
分离 氨气
2.合成氨反应的适宜条件
因数 条件速率来自增大压强 增大升高温度 增大
平衡 其他 适宜条件
向右 移动
动力、材 料、设备
有限
20～50 MPa的高
压
向左 移动
催化剂在 700 K时 活性最大
700 K左 右的适宜
温度
因数 条件
速率
增大反应 物浓度或 减小生成 物浓度
2NH3(g)
ΔH＝－92.2 kJ·mol－1 ΔS(298 K)＝－198.2
J·K－ 1 ·mol－ 1
(2)化学反应的特点 该反应是一个能自发进行的、__放___热的、 气体体积__减__小___的可逆反应。
2．合成氨反应的限度分析 __降__低__温度、___增__大__压强将有利于化学平 衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强 下，反应物氮气、氢气的体积比为__1_∶__3__ 时，平衡混合物中氨的含量最高。
__________________________。
(4)若反应容器的体积不变，原反应温度不变, 而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍,则 上述平衡向________移动；若在平衡体系中 加入氦气，则上述平衡__________移动。
二、合成氨反应的速率 增大_反__应__物__浓__度___，使用合理__催__化__剂___， 升高__温__度___均可增大合成氨反应的反应速 率。
三、合成氨的适宜条件 1．合成氨反应条件的选择原则 (1)尽量增大反应物的__转__化__率__，充分利用原 料； (2)选择较快的__反__应__速__率___，提高单位时间 内的产量； (3)考虑设备和技术条件。