2019-2020年高中化学鲁科版选修4教学案：第2章-第4节-化学反应条件的优化——工业合成氨(含

2019-2020年高中化学鲁科版选修4教学案：第2章-第4节-化学反应条件的优化——工业合成氨(含答案)

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

[课标要求]

1．了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。

2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异。

3．认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。,

1．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。理论上增大

反应物浓度和增大压强及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。

2．升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。

成氨的方向移动。

(2)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。

1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是()

A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨反应C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率

解析：选B催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高

N2的转化率所采取的措施是()

A．高温B．高压

C．使用催化剂D．增大N2的浓度

2019-2020年高中化学鲁科版选修4教学案：第

2章第4节化学反应条件的优化——工业合

成氨(含答案)

降低。

合成氨反应的速率及适宜条件的选择

1．外界条件对速率的影响

(1)浓度

在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应

的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－

1(NH3)，由关系式可知，增大N2或H2的浓度，

减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。(2)催化剂

使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。

(3)温度

温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。

(4)压强

压强越大，反应进行得越快。

2．合成氨反应条件的选择依据

工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。

提高反应的平衡转化率提高化学反应速率性质措施性质措施

放热低温活化能高使用合适的催化剂

分子数减

小

高压

低温时反

应速率低

高温

反应可逆

原料循

环利用

原料气浓

度增大

能提高反

应速率

增大原

料气浓度

氨气浓度

增加

能降低反

应速率

分离氨

(1)升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的主要原因是什么？

提示：温度太高，催化剂活性减弱。

(2)工业合成氨中为达到最大平衡转化率，反应物的投料n(N2)∶n(H2)＝？

提示：n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。

实际生产中合成氨的适宜条件

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，一般采用高压。

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700 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。

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，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去。

5．为提高平衡转化率，工业合成采用原料的循环利用。

1．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，

下列叙述中正确的是()

A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间

C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响

D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果

解析：选C对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。

2．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NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低

B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高

C．合成氨工业的反应温度控制在700 K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动

D．合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件

解析：选B合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，故D项错误。

3．在合成氨时，既要使氨的产率增大，又要