高考化学知识点讲解考点30合成氨条件的选择

考点30合成氨条件的选择

1．复习重点

1．如何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。

2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。

2．难点聚焦

1．合成氨条件的选择

工业上用N 2和H 2合成氨： N 2+3H 2 2NH 3+Q

从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？

从速率看，温度高、压强大（即N 2、H 2浓度大）都会提高反应速率；

从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N 2和H 2的转化率。

可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。但从生产实际考虑，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，将使成本增大。故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa 帕斯卡。

而温度升高，有利于反应速率但不利于N 2和H 2的转化率。

如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。

选择适宜的条件：根据N 2+3H 2 2NH 3+Q 这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。

（1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH 3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa 压强。

思考：工业上生产H 2SO 4：2SO 2(g)+O 2(g) 2SO 3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO 2的转化率已达91%，不需要再加压）

（2）适宜的温度：温度越低越有利于NH 3的合成，为何还要选择5000C 高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C 时，催化剂活性最大。

（3）使用催化剂

（4）及时分离出NH 3，并不断补充N 2和H 2（N 2要过量，提高成本较高的H 2转化率） 小结：合成氨的适宜条件：

压强：20~50MPa 帕斯卡

温度：500℃左右

催化剂：铁触媒

2．合成氨工业简述

1．原料气的制备、净化

① 制N 2： 物理方法： 空气 液态空气 N 2

化学方法： 空气 CO 2+N 2 N 2 ②制H 2： 水蒸气 CO+H 2 CO 2+H 2 H 2 反应方程式为： C+H 2O （g ）==== CO+H 2；CO+H 2O （g ）==== CO 2+H 2

压缩 蒸发

炭 赤热炭 H 2O 催化剂 （去CO 2） 燃烧 （去CO 2） 催化剂 △ △

注意：制得的N2、H2需要净化，清除杂质，以防止催化剂“中毒”。

2.合成氨反应的特点

化学反应：N2+3H22NH3 ;△H=-92.4KJ/mol

（1）可逆反应；（2）正反应是放热反应；（3）正反应是气体体积缩小的反应。3．工业合成氨适宜条件的选择

在实际生产中，需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况，以确定最佳的生产条件。

4. 图示合成氨的原理

3．例题精讲

例1 下列说法，能够用勒沙特列原理来解释的是（）

A.加入催化剂可以提高单位时间氨的产量

B.高压有利于氨的合成反应

C. 500℃高温比室温更有利于合成氨的反应

D. 恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多

[解析]

A. 加入催化剂只能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动。注意：催化剂能相同倍数地改变正、逆反应速率，故而不改变化学平衡状态。

B. 合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正方向移动，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。

C. 因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度。500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。采用500℃既考虑到温度对速率的影响，更主要的是500℃左右催化剂活性最大。

D. 恒温恒容下充He，惰性气体He不与N2、H2、NH3反应。虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变（即分压不变）所以平衡不移动，NH3的产量不变。

[答案] B

[点评]

勒沙特列原理是说改变影响平衡的一个条件，平衡就向能够减弱这种改变的方法移动。不要混淆影响速率的条件和影响平衡的条件。

例2：合成氨工业中，原料气(N2，H2及少量的CO，NH3的混合气)在进入合成塔前常用乙酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中CO，其反应为：

[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO；△H<0

(1)必须除去原料气中CO的原因是什么？

(2)吸收CO的生产适宜条件是什么？

(3)吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环

使用，再生的适宜条件是什么？

[解析]

合成氨工业中要使用催化剂，某些物质会使催化剂的活性降低甚至消失，从而发生催化剂中毒。故必须除去原料气中CO。根据吸收原料气中CO的反应方程式：

[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO；△H<0

可知，加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于CO的吸收。要使吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可。

答案：(1)防止催化剂中毒；(2)低温、高压；(3)高温、低压。

[点评] 在实际工业生产过程中，适宜生产条件的选择需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面因素。

例3温度、催化剂不变，向某一固定体积的密闭容器内按下列各组物质的量加入H2、N2、NH3

A B C D