合成氨条件的选择

学科：化学

教学内容：合成氨条件的选择

【基础知识精讲】

1.合成氨反应的理论应用

合成氨反应原理：

N2+3H 22NH3(正反应为放热反应)

反应特点是：①可逆反应；②气体总体积缩小的反应；③正反应为放热反应.

根据上述反应特点，从理论上分析：

(1)使氨生成得快的措施(从反应速率考虑)：①增大反应物的浓度；②升高温度；③加大压强；④使用催化剂.

(2)使氨生成得多的措施(从平衡移动考虑)：①增大反应物的浓度同时减小生成物的浓度；②降低温度；③增大压强.

2.合成氨条件的选择

在实际生产中，既要考虑氨的产量，又要考虑生产效率和经济效益，综合以上两方面的措施，得出合成氨的适宜条件的选择：

浓度：一般采用N2和H2的体积比1∶3，同时增大浓度，不加大某种反应物的浓度，这是因为合成氨生产的原料气要循环使用.按1∶3循环的气体体积比，仍会保持1∶3.

温度：合成氨是放热反应，降低温度虽有利于平衡向正反应方向移动，但温度过低，反应速率过慢，所以温度不宜太低，在500℃左右为宜，而且此温度也是催化剂的活性温度范围.

压强：合成氨是体积缩小的可逆反应，所以压强增大，有利于氨的合成，但压强过高时，对设备的要求也就很高，制造设备的成本就高，而且所需的动力也越大，应选择适当的压强，一般采用2×107Pa～5×107Pa.

催化剂：用铁触媒作催化剂，能加快反应速率，缩短达到平衡时间.

可将合成氨的适宜条件归纳为：

①增大氨气、氢气的浓度，及时将生成的氨分离出来；②温度为500℃左右；③压强为2×107Pa～5×107Pa；④铁触媒作催化剂.

3.合成氨的工业简述

合成氨工业的简要流程图：

(1)原料气的制取.

N2：将空气液化、蒸发分离出N2，或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2.

H2：用水和焦炭(或煤、石油、天然气等)在高温下制取，如

(2)制得的N 2、H 2需净化、除杂，再用压缩机压缩至高压.因为若有杂质存在可使催化剂失去催化作用，也称使催化剂“中毒”.

(3)在适宜条件下，在氨合成塔中进行合成.

(4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将未反应的H 2、N 2循环送入合成塔，使其充分利用.

【重点难点解析】

重点：理解应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件.

难点：根据各种影响反应进行的因素选取反应综合条件.

1.巧用假设，灵活解题

例如：密闭容器中，N 2+3H 2 2NH 3在500℃时达到平衡，问：

(1)将H 2、NH 3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?

(2)将N 2、NH 3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?

分析：浓度的改变是反应物和生成物部分发生而改变，因而平衡的移动就较难判断.而巧用假设就较易解答.(1)将不变浓度的N 2视为液体(常数)，将浓度改变的H 2、NH 3视为气体，得出等效平衡N 2(l)+3H 2(g) 2NH 3(g)，将H 2、NH 3浓度同时增大1倍，相当于上述等效平衡压强增大到原来的2倍，所以等效平衡向正反应方向移动，原平衡同向移动.也可利用平衡常数K 来判断.

(2)同理分析可得，平衡向逆方向移动.

又例如，平衡反应2NO 2N 2O 4在体积不变的密闭容器中进行，在其它条件不变时，若向容器中分别增加NO 2和N 2O 4，][][422O N NO 的比值如何变化? 分析：先运用上节所介绍的等效假设，增加NO 2或N 2O 4时，压强不变，平衡时比值不变.再压缩时，假设平衡不移动，比值也不变.现实际上平衡右移，所以，无论是增加NO 2还是增加N 2O 4，都有]

[][422O N NO 比值减小. 2.如何选择适宜条件，使平衡向有利的方向移动?

应从以下几方面观察考虑：①反应前后气体物质的计量数；②反应热情况；③反应速率；④转化率(增加廉价物质的量，提高价格贵重原料的利用率)

例如，在硫酸工业中，通过下列反应使SO 2转化为SO 3：2SO 2+O 2

2SO 3(正反应放热)

已知常压下平衡混合气体中SO 3体积分数为91%，试回答：

(1)生产中常用过量的空气是为了 ；

(2)加热到400°～500°是由于 ；

(3)压强采用 ，原因是 ；

(4)尾气中的SO 2必须回收，是为了 .

此题根据题示信息和以上提出的要考虑的几个方面，不难分析作答.

3.反应物用量的改变对平衡转化率的影响

若反应物只有一种，如aA(g) bB(g)+cC(g)，增加A 的量，平衡向正反应方向移动，但该反应物A 的转化率的变化与气体物质的系数有关.

(1)若a=b+c ，A 的转化率不变；

(2)若a ＞b+c ，A 的转化率增大；

(3)若a ＜b+c ，A 的转化率减小.

若反应物不止一种时，如：aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)

(1)若只增加A 的量，平衡正向移动，而A 的转化率减小，B 的转化率增大.

(2)若按原比例同倍数地增加反应物A 和B 的量，则平衡向正反应方向移动.而反应物转化率与气体反应系数有关.如a+b=c+d ，A 、B 转化率都不变；如a+b ＜c+d ，A 、B 转化率都减小；如a+b ＞c+d ，A 、B 转化率都增大.

4.如何正确区别转化率与物质所占百分含量的关系?

例题：如下图所示，是表示外界条件(温度、压强)的变化对下列反应的影响：L(固)+G(气) 2R(气)(正反应为吸热反应)在图中，Y 轴是指( )

A.平衡混合气中G 的百分含量

B.平衡混合气中R 的百分含量

C.G 的转化率

D.L 的转化率

分析：根据题中给出的反应式可知，该反应是一个气体体积增大的吸热反应.

根据图形曲线可知，Y 所指的量应该是：

“随温度的升高而减小”以及“随压强的增大而增大”者，应由此来判断符合题意的选项.

升温使题中的平衡反应右移，所以R%增大，G%减少，L 和G 的转化率都增高，故只有选项A 符合要求.

增大压强，使平衡左移，R%减少，G%增大，也是A 符合要求，所以Y 轴是指平衡混合气体中G 的百分含量.

本题答案：A

【难题巧解点拨】

例1：在一定温度、压强和催化剂存在时，把N 2和H 2按1∶3体积比混合，当反应达到平衡时，混合气中NH 3的体积分数为25%，求N 2的转化率.

分析：此题可用常规三行式解法，也可用差量法求解.这里，用整体思维方法求解. 设平衡时混合气为100体积，显然NH 3为25体积.由于N 2和H 2的混合比正好为化学计量数之比，1∶3投料，1∶3转化，转化率也应相同.列式分析如下：

N 2+3H 32NH 3

平衡时 75 25

起始时 75+50 0

转化率：αN2=αH2=125

50×100%=40% 同学们可用其它解法予以对照.

例2：(高考科研题)在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH 3的体积分数为25%.若反应前后条件保持不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是

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