化学4鲁科版2.4化学反应条件的优化-工业合成氨同步练习

化学4鲁科版2
第四节化学反应条件的优化—工业合成氨
一. 教学内容：
第3节化学反应条件的优化－工业合成氨
二. 教学目的：
1. 了解工业生产条件选择的依据和原则。

2. 认识合成氨的化学原理，逐步把握用化学平稳和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。

3. 了解合成氨生产的要紧流程。

三. 重点、难点：
工业合成氨条件的选择过程
四. 知识分析：
（一）选取适应的反应条件的依据
1. 从可逆性、反应前后气体的系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。

2. 据反应特点具体分析外界条件对速率和平稳的阻碍，从速率和平稳的角度进行综合分析，再充分考虑实际情形，选出适宜的外界条件。

（二）合成氨的工业生产：
1. 反应特点：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）
可逆反应，正向△H＜0，正向△n（g）＜0
2. 反应的自发性和限度
【算一算】已知在298K时，合成氨反应的△H＝－92.2kJ·mol－1
△S＝－198.2J·K－1·mol－1
运算该反应在298K时能否自发进行？
解答：△H－T△S＝－92.2kJ·mol－1＋298K×198.2J·K－1·mol－1＝－33.1kJ·mol－1＜0，故该反应在298K时能自发进行。

又知，该反应在298K时的平稳常数K为：4.1×106（mol·L）－2。

由平稳移动原理可知，欲提高氨的产率，应该采纳高压、低温的条件。

由上述能够看出，合成氨反应在298K时，反应能自发进行，合成氨的反应限度也专门大,然而反应速率又如何呢？
3. 反应速率
实验研究说明，在特定条件下，合成氨反应的速率公式为：
V＝kc（N2）c1.5（H2）c－1（NH3）
据阿伦尼乌斯体会公式，高温顺有催化剂将能提高其速率常数，加快反应速率；而加压则能够更大程度上增大N2、H2的浓度，从而加快反应速率。

4. 各种外界条件对速率和平稳的具体阻碍：
（1）压强：温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平稳都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的压强和设备的制造要求越高，一样采纳2×107~5×107Pa （2）温度：从平稳的角度考虑，合成氨低温有利，然而温度过低反应速率专门慢，需要专门长时刻才能达到平稳，专门不经济，因此实际生产中，采纳500℃左右的适宜温度（在此温度时催化剂的活性最大）。

（3）催化剂：为了加快反应速率，采纳以铁为主的铁催化剂。

（4）浓度：不断的补充氢气和氮气，及时的分离出氨气。

5. 合成氨的适宜条件：500℃、铁触媒、2×107~5×107Pa；循环操作过程；N2与H2浓度比约为1∶3（因为在一定温度和压强下，原料气配比符合化学方程式中的系数比时，产物的平稳产量可达最高值，实际为1∶2.8）。

6. 生产流程：
（1）造气原料气中的氮气来自于空气，而氢气来自于含氢的天然气、煤、炼油产品。

以天然气为原料时，反应可简单表示为：
CH4＋H2O＝CO＋3H2CO＋H2O＝CO2＋H2
（2）净化：排除造气过程夹带的杂质，防止催化剂中毒。

（3）合成氨：包括终端产品——氨的分离，氮气、氢气的循环利用，热交换原理的应用等。

【典型例题】
例1. 在一定条件下，可逆反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）（正反应放热）达到平稳，当单独改变下列条件后，有关叙述中错误的是（）
A. 加催化剂，v正、v逆都变化，且变化的倍数相等
B. 加压，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
C. 降温，v正、v逆都减小，且v正减小的倍数大于v逆减小的倍数
D. 加入氩气，v正、v逆都增大，且v正增大的倍数大于v逆增大的倍数
解析：催化剂的加入，同等倍数的改变正、逆反应速率，A正确；而加压，平稳将向右移动，故v正增大的倍数大于v逆增大的倍数，B正确；降温，平稳向放热的方向——向右移动，v正减小的倍数小于v逆减小的倍数，C错误；恒温、恒容通氩气，各物质浓度不变，平稳不移动，v正、v逆都不变，D错误。

答案：CD
点评：本题考查外界条件对化学反应速率的阻碍规律，要注意结合平稳移动原理来进行分析。

例2. 合成氨工业中，常加热至500℃,下列有关叙述正确的是（）
A. 为加快反应速率，缩短达到平稳所需要的时刻
B. 加快v正，减小v逆
C. 使平稳向合成氨的方向移动
D. 提高原料转化率
解析：合成氨是放热反应，采纳500℃的高温，从化学平稳上看，由于合成氨反应放热，不利于氨的合成。

然而为了提高反应速率，更快、更多的生成氨，也采纳适当的高温。

答案：A
点评：工业反应条件的选择，要综合反应的限度、速率甚至设备等因素一起考虑，不能单方面考虑问题。

例3. 在一定条件下，合成氨反应达到平稳后，混合气体中NH3的体积分数为25%。

若反应前后保持条件不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是（）
A. 1/5
B. 1/4
C. 1/3
D. 1/2
解析：设平稳后混合气体的体积为100mL，则其中氨的体积为25mL。

由反应的化学方程式N2＋3H22NH3 能够看出，每生成2体积的NH3，反应体系的总体积也缩小2体
积，从而推知，反应后缩小的气体体积和平稳后混合气体中NH3的体积相等，即缩小的气体体积为25mL，则反应前的气体体积为100mL＋25ml＝125mL.反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是25∶125＝1/5，即选项A正确。

答案：A
点评：本题考查“差量法”的灵活应用。

例4. 在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在400℃时分别建立平稳，四种情形下H2的转化率由大到小的顺序是_______________。

①1molN2＋3H2②2molN2＋3H2 ③1molN2＋4H2 ④1molN2＋4H2＋0.5molNH3
解析：②是在①中增加N2，故H2的转化率增大，即②＞①。

③是在①中增加H2，故H2的转化率减小，即①＞③。

而④是在③基础上增加氨，平稳向逆反应方向移动，H2的转化率变小，有③＞④。

由此可知H2的转化率由大到小顺序为②＞①＞③＞④。

答案：②＞①＞③＞④
点评：改变相关物质的浓度，化学平稳发生移动，这是考虑这类问题的动身点。

【模拟试题】（答题时刻：45分钟）
一. 选择题：
1. 在密闭容器中进行合成氨的反应，达到平稳后，将体系中各物质的浓度增大到原先的2倍，则产生的结果是（）
A. 平稳向正反应方向移动
B. 平稳向逆反应方向移动
C. 平稳不移动
D. NH3的百分含量增加
2. 合成氨所需要的氨气可由煤与水反应制得，其中有如下反应：CO（g）＋H2O（g）＝CO2（g）＋H2（g），△H＞0. 欲提高CO的转化率可采纳的方法是（）
①降低温度②增大压强7 ③使用催化剂④增大CO的浓度⑤增大水蒸气的浓度
A. ①②③
B. ④⑤
C. ①⑤
D. ⑤
3. 下列有关合成氨工业的说法中，正确的是（）
A. 从合成塔出来的混合气体。

其中氨气只占13%－14%，因此生产氨的工厂的效率都专门低
B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高
C. 合成氨反应温度操纵在500℃左右，目的是使化学平稳向正方向移动
D. 合成氨采纳的压强是2×107~5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大
4. 1molN2和3molH2混合发生反应N2＋3H22NH3，达到平稳时，测得平稳混合物的
密度是同温.同压下H2的5倍，则N2的转化率为（）
A. 75% B 25% C 30% D 10%
5. 有平稳体系CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g），△H＜0。

为了增加甲醇的日产量，从理论上来讲应该采取的正确措施是（）
A. 高温、高压
B. 适宜的温度、高压、催化剂
C. 低温、高压
D. 高温、高压、催化剂
6. 以焦炭为要紧原料合成氨，为了使通入合成塔的N2和H2 保持1：3的体积比，则焦炭与空气的物质的量之比约为（）
A. 1∶3
B. 3∶2
C. 6∶5
D. 4∶3
7. 在一定条件下，向密闭容器中加入30mLCO和20mL水蒸气，使其发生反应，当CO（g）＋H2O（g）2（g）＋H2（g）达到平稳时，水蒸气的体积分数与H2的相等，则下列叙述错误的是（）
A. 平稳后CO的体积分数为40%
B. 平稳后CO的转化率为25%
C. 平稳后水蒸气的转化率为50%
D. 平稳后混合气体的平均相对分子质量为24
8. 在一定条件下，可逆反应A（g）＋3B（g）2C（g）达到平稳时有50%的B转化为气体C。

若A的转化率为25%，则起始时冲入容器中的A与B的物质的量之比为（）
A. 3∶2
B. 1∶2
C. 1∶3
D. 2∶3
9. 将混合物A放入密闭容器中加热，在一定条件下存在如下两种平稳：A（s）2B（g）＋C（g）2C（g）D（g）＋3E（g）经测定，这时C的浓度为0.01mol·L－1，E的浓度为
0.015 mol·L－1 ，则B的浓度（）
A. 0.02 mol·L－1
B. 0.025 mol·L－1
C. 0.03 mol·L－1
D. 0.04mol·L－1
10. 在带有活塞的密闭容器中加入5molH2和5molN2，在某温度下反应生成2molNH3，若现在容器的压强不变，则容器的体积是反应前的（）
A. 2倍
B. 1.5倍
C. 0.8倍
D. 0.5倍
二. 填空题：
1. 在体积为VL的密闭容器中，充入a molN2和b molH2，经3分钟生成c molNH3。

（1）v（N2）应表示为_______________ （2）H2的转化率为_______________ （3）NH3的体积分数为_____________ （4）反应前后的压强比为____________ 2. 在密闭容器中，N2、H2起始的物质的量分别为10mol、30mol，达到平稳时N2的转化率为25％，若反应从NH3的分解开始，在相同条件下欲使平稳时各成分百分含量相同，则应加入氨的物质的量为__________，氨的转化率为__________。

3. 在830K时，下列反应的平稳体系具有某些专门性：
CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）
①若起始浓度分别为c（CO）＝3 mol·L－1，c（H2O）＝0.75mol·L－1，达到平稳后CO 的转化率为20%
②若起始浓度分别为c（CO）＝3 mol·L－1，c（H2O）＝4.5mol·L－1，达到平稳后CO 的转化率为60%
设830K时，以起始浓度分别以c（CO）＝3a mol·L－1，c（H2O）＝b mol·L－1投料，发生以上反应，测得平稳后c（H2）＝c mol·L－1.
请注意上述数据，总结出其中规律，填写以下空白。

（1）选择填空：在多次试验中，若保持b不变而减小a,则达到平稳时CO的转化率________ 水蒸气的转化率________.
A. 增大
B. 减小
C. 不变
D. 无法确定
（2）当a＝4，c＝1.5时，b＝______________.
（3）当a＝2b时，a∶c＝______________.
（4）a、b、c在该平稳中的关系式是__________________.
三. 运算题
在合成氨反应中，入口气体中N2 、H2、NH3的体积比为6∶18∶1，出口气体中N2 、H2、NH3的体积比为9∶27∶8，求H2的转化率。

【试题答案】
一. 1. AD 2. D 3. B 4. C 5. B 6. C 7. B 8. D 9. D 10. C
二. 1. （1）c/（6V）mol/（L·min）（2）150c/b% （3）100c/（a＋b＋c）% （4）（a＋b）/（a＋b－c）
2. 20mol；75％
3. （1）A；B （2）2.4 （3）3∶1 （4）c/a ＋c/b＝1
三. 25％。