第4讲 化学反应条件的优化——工业合成氨(基础课)

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知识点 工业合成氨
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解析 A.使用高效催化剂能降低反应活化能，加快反应速率，故 A 正确；B.合成 氨 工 业 ， N2 和 H2 循 环 使 用 可 以 提 高 原 料 利 用 率 ， 故 B 正 确 ； C.N2(g)＋ 3H2(g) 2NH3(g)正反应放热，升高温度平衡逆向移动，H2 的平衡转化率降低， 工 业 合 成 氨 温 度 为 700 K 是 为 了 加 快 反 应 速 率 ， 故 C 错 误 ； D.N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)反应前后气体系数和不同，恒温恒容下，压强是变量，若体系 的总压强不再改变，说明该反应已达平衡状态，故 D 正确。
a－3b 则 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝____2____ kJ·mol－1。 (2)下列叙述正确的是__A__B_D___(填代号)。
A.在合成氨中，v 正(NH3)∶v 正(H2)＝2∶3 B.在恒温恒容下 1 mol N2 和 1 mol H2 制 NH3，当 N2 体积分数不变时达到平衡 C.在恒温恒压下合成氨，平衡后通入少量氩气，N2 的平衡转化率不变 D.在恒温恒容下合成氨，平衡后通入少量氨气，逆反应速率增大且大于正反应速率
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(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。 (3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。 (4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有 完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。
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(5)在一定条件下，甲、乙体积相同的
密闭容器中，开始均投入1 mol N2和 3 mol H2(合成氨的反应是放热反应)。 相对于乙，甲容器中仅改变一个条件，
测得甲、乙体积中N2的转化率与时间 关系如图所示。
①相对于乙，甲改变的条件是____C_______(填代号)。
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(3)氨在钨表面发生反应 2NH3(g)===N2(g)＋3H2(g)，速率方程为 v＝kcn(NH3)(k 为 速率常数，只与温度、催化剂有关)，在钨催化作用下，不同温度和起始浓度时， c(NH3)与时间关系如图所示，化学上，将物质的浓度衰变一半所用时间叫“半衰
期”，用 T1表示。
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2.氨是一种重要的化工原料和储氢材料。回答下列问题
(1)已知： ①4NH3(g)＋3O2(g)===2N2(g)＋6H2O(g) ΔH1＝－a kJ·mol－1； ②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH2＝－b kJ·mol－1(其中，a、b 均大于 0)。
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(4)工业生产中，合成氨宜选择450～500 ℃、20～50 MPa，温度不低于450 ℃， 压强不高于50 MPa，其主要原因是___4_5_0__～__5_0_0_℃__为__催__化__剂__的__活__性__温__度__，____ ___反__应__速__率__快__，__压__强__大__于__5_0__M__P_a_时__，__N__H_3_的__产__率__变__化__不__大__，__且__对__设__备__材_____ ___料__要__求__高__________________________________________________________ (从反应速率和平衡角度分析)。 解析 (4)450～500 ℃为催化剂的活性温度，反应速率快，所以生产中温度不 低于450 ℃，压强大于50 MPa时，氨气的产率变化不大，且高压对设备材料 要求较高，所以生产中压强不高于50 MPa；
错误；对比实验①和实验③，氨气浓度相同，实验③中催化剂表面积是实验①中
催化剂表面积的 2 倍，实验③先达到平衡状态，实验③的反应速率大，D 正确。
01 02 03
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集训真题 走进高考
2.(2023·江苏卷)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为 CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－164.7 kJ·mol－1
反应：2NH3(g)催化剂N2(g)＋3H2(g)，测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨
浓度随时间的变化，如下表所示，下列说法不正确的是( C )
A.实验①，0～20 min，v(N2)＝ 1.00×10－5 mol·L－1·min－1 B.实验②，60 min时处于平衡状 态，x≠0.40 C.相同条件下，增加氨气的浓 度，反应速率增大 D.相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大
提高平衡转化率
综合结果
压强
高压
高压
高压
温度
高温
低温
兼顾速率和平衡， 且考虑催化剂活性
催化剂
使用
无影响
使用
由反应速率方程可知，增 ___增__大___ 反 应 物 的 增大反应物的浓度，
浓度 大_氮__气__、__氢__气___的浓度， 浓 度 ， __降__低____ 反 且 不 断 减 小 反 应 产
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解析 (1)由盖斯定律可知，反应②×32－①×12得到合成氨反应，则反应 ΔH＝a－23b kJ/mol；(2)A.由反应速率之比等于化学计量数之比可知，合成氨反应中，氨气和氢 气的反应速率关系为 v 正(NH3)∶v 正(H2)＝2∶3，故正确；B.在恒温恒容下 1 mol 氮 气和 1 mol 氢气制氨气，当氮气体积分数不变时说明正逆反应速率相等，反应已达 到平衡，故正确；C.在恒温恒压下合成氨，平衡后通入少量氩气相当于减小压强， 减小压强，平衡向逆反应方向移动，氮气的平衡转化率减小，故错误；D.在恒温恒 容下合成氨，平衡后通入少量氨气，生成物的浓度增大，反应速率增大，平衡向逆 反应方向移动，所以逆反应速率增大且大于正反应速率，故正确；故选 ABD；
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(一)工业合成氨
1.(2023·宁德区域性学业质检)关于合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)
－57.3 kJ·mol－1，下列说法不正确的是( C )
2NH3(g) ΔH＝
A.使用高效催化剂能减小反应活化能
B.为了提高原料利用率，N2和H2循环使用 C.工业合成氨温度为700 K是因为升高温度有利于提高H2的平衡转化率 D.恒温恒容下，若体系的总压强不再改变，说明该反应已达平衡状态
(1)工业制得的N2、H2如果不净化，有何影响？ 提示 会导致催化剂中毒。 (2)铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？ 提示 能。因为实际合成氨过程为非平衡状态下进行，反应速率大，单位时间 里生产的氨气的量多。
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(3)在一定温度和压强下，反应物氮气和氢气的体积比为1∶3时，平衡混合物中 氨的含量最高，为何实际投料比为1∶2.8? 提示 氮气在催化剂上的吸附为合成氨催化历程中最慢的步骤，也是影响速率 的关键步骤。实验表明，适当提高氮气的比例，使氮气和氢气的体积比为 1∶2.8时，更能加快合成氨反应的进行。 (4)合成氨时为何没有采用更高的压强来提高速率和转化率？ 提示 合成氨时增大压强尽管可以同时提高反应速率和反应物的转化率。但是， 压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资将降低综合经济 效益。
mol·L－1，而恒温恒容条件下，实验②相对于实验①为减小压强，平衡正向移动，
因此实验②60 min 时处于平衡状态，x<0.4，即 x≠0.4，B 正确；实验①、实验
②中 0～20 min、20～40 min 氨气浓度变化量相同，速率相同，实验①是实验②
中氨气初始浓度的两倍，相同条件下，增加氨气浓度，反应速率并没有增大，C
——
化第 4
第 6 章
讲化
工
学
业化
反 应
合学 成反
的 方 向
氨（
基
应 条
、 限 度
础 课 ）
件 的
与 速 率
优
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复习目标
认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要 作用。
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集训真题 走进高考
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知能落实 素养提升
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mol×60%×3＝1.2 mol、1 mol×60%×2＝1.2 mol，则反应的平衡常数 K＝
（10..25）2 00..54×（10..25）3
L2·mol－2≈0.52 L2·mol－2。
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集训真题 走进高考
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集训真题 走进高考
1.(2022·浙江 6 月选考)恒温恒容的密闭容器中，在某催化剂表面上发生氨的分解
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)
ΔH＝41.2 kJ·mol－1
在密闭容器中，1.01×105 Pa、n 起始 (CO2)∶n 起始(H2)＝1∶4 时，CO2 平衡转化
2
①T1温度下，速率常数k＝___0_.1____； 当起始浓度c(NH3)＝1.0 mol·L－1时半衰 期为____5____ min。 ②温度：T1___<_____(填“>”“<”或“＝”)T2。
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解析 (3)①由图可知，该反应是匀速反应，氨的浓度变化与时间成正比，则 n ＝0，即该反应是 0 级反应，所以速率常数等于反应速率，可根据任一段时间求 速 率 和 速 率 常 数 。 T1 温 度 下 ， v ＝ kcn(NH3) ＝ k ＝ 1.2 mol/L÷12 min ＝ 0.1 mol/(L·min)；则当氨气起始浓度为 1.0 mol/L 时，半衰期为1.00－.10.5 min＝5 min； ②由图可知，消耗等量氨气时，温度为 T2 所需时间少于温度为 T1，说明 T2 条件 下反应速率大于 T1，则 T2 大于 T1；
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1.合成氨反应的特点 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
可逆
减小
＜
＜
＜ 能
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2.提高合成氨反应速率和平衡转化率条件的比较
条件
提高反应速率
01 02 03
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集训真题 走进高考
解析
实 验 ① 中 ， 0 ～ 20
min
，
v(N2)
＝
1 2
v(NH3)
＝
1 2
×(2.40×10
－
3
mol·L － 1 －
2.00×10－3 mol·L－1)÷20 min＝1.00×10－5 mol·L－1·min－1，A 正确；催化剂表面积
大小只影响反应速率，不影响平衡，则实验①达平衡时氨气浓度也为 4.00×10－4
A.加入催化剂
B.升高温度
C.增大压强
D.分离氨
②在 甲条件下 ，平衡时体积为 0.5 L，则 该反应的 平衡常数 K为__0_._5_2___
L2·mol－2(结果保留两位有效数字)。
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解析 (5)①由图可知，甲条件下氮气的转化率大于乙条件，说明平衡向正反应方 向移动，合成氨反应为体积减小的放热反应，则降低温度、增大压强、分离氨，
减小___氨__气___的浓度
应产物的浓度
物的浓度
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自主梳理3.工业合成氨的适宜条件序号 影响因素选择条件
(1) 温度
反应温度控制在__7_0_0_K___左右
(2)
浓度 N2、H2投料比为___1_∶__2_.8_____。_____氨_______及时从混
合气中分离出去，剩余气体__循__环__使__用____
平衡向正反应方向移动，有利于提高氮气的转化率，由图可知，甲条件下合成氨
反应的反应速率快于乙条件下，则相对于乙，甲改变的条件是增大压强，故选 C；
②由图可知，在甲条件下，反应达到平衡时氮气的转化率为 60%，则平衡时氮 气、氢气、氨气的物质的量分别为 1 mol－1 mol×60%＝0.4 mol、3 mol－1
(3) 压强
1×107～1×108 Pa
(4) 催化剂
选择_铁__触__媒___做催化剂
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4.合成氨工业的简要流程
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(1)原料气的制取 N2：将空气液化、蒸发分离出 N2 或者将空气中的 O2 与碳作用生成 CO2，除去 CO2 后得 N2。 H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用煤和水制 H2 的主要反应为 C＋H2O(g)=高==温==CO＋H2，CO＋H2O(g)催==化==剂= CO2＋H2。