合成氨条件的选择

学科：化学

教学内容：合成氨条件的选择

【思考导学】

1．合成氨反应有何特点？

答案：NH3的合成是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应．

2．根据外界条件对化学反应速率的影响，说明要使合成氨的化学反应速率增大，应该采取哪些方法？

答案：升高温度、增大压强以及使用催化剂等．

3．合成氨反应为：N2＋3H22NH3，但实际生产中，原料气中N2与H2的体积比通常采用大于1∶3的比例，为什么?并且还要将生成的氨从氨分离器中及时分离出来，为什么?

答案：增大N2的浓度，可以提高H2的转化率，从而降低成本．减少生成物的浓度，可以使化学平衡向生成物方向移动，提高反应物的利用率．

4．合成氨的正反应是气体体积缩小的反应，为什么工业合成氨不采用尽可能高的压强，而通常采用2×107Pa～5×107Pa的压强?

答案：压强越大，需要的动力就越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高．

【自学导引】

一、合成氨的化学反应特点

1．典型的可逆反应．

2．正反应是放热反应．

3．正反应方向是气体体积缩小的反应．

二、合成氨适宜条件的选择

在实际生产中，需要综合考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等各方面情况，以确定最佳生产条件．

合成氨的反应原理为：N2＋3H22NH3(正反应为放热反应)，这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应．

1．首先考虑的是提高氨的生成速率．根据影响反应速率的条件应采取的措施为：①增加反应物的浓度；②升高温度；③加大压强；④使用催化剂．

2．再考虑反应物的转化率．根据影响化学平衡的因素应采取的措施为：①增大反应物的浓度；②降低温度；③增大压强；④减少生成的氨的浓度．

3．综合以上两种措施，在增大反应物浓度和增大压强上是一致的，但压强太大对设备的要求较为苛刻，故要选择适当的压强．催化剂虽然对化学平衡的移动无影响，但可缩短达到化学平衡所用的时间，所以在工业生产中一般都使用催化剂．只有在温度上，既要考虑适当提高温度以有利于提高反应速率，又要考虑适当控制温度以有利于提高平衡时氨的浓度，还要兼顾考虑催化剂的活性温度范围．所以，工业合成氨采取的条件是：①增大氮气、氢气浓度，及时将生成的氨分离出来．②温度为500℃左右．③压强为2×107 Pa～5×107 Pa．④铁触媒作催化剂．

三、合成氨工业

合成氨工业的简要流程可用方框图表示为：

(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：

(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，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其充分被利用．

四、化学模拟生物固氮

将空气中游离子的N2分子转化为含氮化合物的反应叫“固氮反应”．主要的固氮反应有：1．生物固氮：是一种主要的自然固氮反应．如植物在根瘤菌作用下直接吸收空气中的N2转化为氨等，进一步合成蛋白质．

2．自然固氮：如闪电产生的巨大电压，其电火花足可以击破氮分子的叁键，促使其与氧气反应生成NO，进而生成NO2和HNO3等．

3．化学固氮：合成氨反应，在放电条件下使氮气与氧气反应生成NO等．

4．人工模拟生物固氮：通过化学方法，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气在常温常压下与水及二氧化碳等反应，转化为硝态氮或铵态氮．进而实现人工合成大量的蛋白质等，最终实现工厂化生产蛋白质食品．

【热点透视】

有关化学平衡的基本计算及规律

1．可逆反应到达平衡过程中物质浓度的变化关系．

(1)反应物：平衡浓度＝起始浓度－转化浓度

(2)生成物：平衡浓度＝起始浓度＋转化浓度

(3)各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中物质的化学计量数之比

2．反应物的转化率．

4．反应物的转化率与浓度变化的关系

(1)对于多种物质参加的反应的情况分析，如某反应可写为A(g)＋3B(g) 2C(g)＋D(g)，增大A 的浓度，B 的转化率一定增大，而A 的转化率一般是减小．

(2)对于分解反应来说．要视反应前后物质的计量数而定．如对2HI(g) H 2(g)＋I 2(g)，不论如何改变HI 的浓度，HI 的转化率都不变，而对2NH 3N 2＋3H 2，增加氨气的浓度时，氨气的转化率减小．

5．化学平衡计算中对气体定律的运用

(1)当T 、V 恒定时，气体压强之比等于气体物质的量之比．即：)

()()

()(始平始平n n P P =

，运用此

公式可求在温度体积不变时，平衡前后压强的变化．

(2)当T 、p 恒定时，气体体积之比等于气体的物质的量之比．即：

)

()()

()(始平始平n n V V =，运用

此公式可求平衡前后体积变化．

(3)当T 、p 恒定时，气体密度之比(即相对密度)等于气体物质的相对分子质量之比．即

)

()

()()(始平始平M M =

ρρ，运用此公式可求平衡前后气体的密度或相对密度或平均相对分子质量．

【典例剖析】

［例1］有平衡体系：CO(g)＋2H 2(g) CH 3OH(g)(正反应为放热反应)，为了增加甲醇的产量，提高生产效益，应采取的正确措施是( )

A ．高温、高压

B ．适宜的温度、高压、催化剂

C ．低温、低压

D ．高温、高压、催化剂

解析：首先分析反应特点，正反应为放热、缩体反应．

再分析题目要求，为了增加甲醇的产量，即生成甲醇的反应速率要大，且甲醇的平衡浓度也尽可能大．

最后，根据理论和实际相结合作出判断：

答案：B

［例2］下列事实不能用勒夏特列原理解释的是( )

A ．给硫化氢水溶液中加碱有利于S 2－

的生成 B ．加入催化剂有利于氨的氧化反应 C ．高压有利于合成氨反应

D ．500℃左右比室温更利于合成氨的反应

解析：硫化氢水溶液中有下列平衡：H 2S HS －＋H ＋，HS

－

H ＋

＋S 2－

，加碱后