第二册第二章第4节合成氨条件的选择

年级高二学科化学版本人教版内容标题合成氨条件的选择编稿老师王岭【本讲教育信息】一.教学内容：合成氨条件的选择二.重点、难点1.使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论，选择合成氨的适宜条件，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。2.了解合成氨工业生产的主要流程。3.向学生介绍我国解放后合成氨工业的发展情况，对学生进行爱国主义教育。三.具体内容（一）原理1体积3体积2体积（正反应放热）合成氨反应)(3)(22gHgNKJgNH4.92)(23分析角度反应要求外界条件使氨生成得快（从化学反应速率分析）使氨生成得多（从化学平衡分析）压强（高压）（高压）温度（高温）（低温）是否要用催化剂（使用）（不影响）唯物辩证法告诉我们：一切从实际出发，要全面地分析问题．综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的条件，再根据工业生产的特点和实际需要，才能正确地选择合成氨工业的适宜条件。（二）适宜条件的选择1.压强。增大压强，有利于3NH的合成，但在实际生产中，压强不可能无限制的增大，因为压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，势必增大生产成本，降低综合经济效益。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国合成氨厂一般采用的压强是MPaMPa50~20。2.温度。合成氨为放热反应，低温有利于氨的生成。但是温度越低，反应速率越慢，到达平衡所需要的时间越长，因而单位时间内产量低，这在工业生产中是很不经济的。综合考虑各种因素，在实际生产上，采用500℃的温度，此时催化剂的活性最大。3.催化剂。由于2N分子非常稳定，2N与2H的化合十分困难，即使采用了加热与高压的条件，合成氨的反应还是十分缓慢。为了加快化合反应速率，降低反应所需要的能量，合成氨工业普遍使用铁触媒作催化剂。合成氨的化学反应原理可以用以下化学方程式表示：（三）综合分析：1.增加2N与2H的体积比，并不断分离出3NH，同时补充2N和2H的浓度。2.增大压强为设备钢板能承受的程度，一般为MPa20～MPa50。3.由于催化剂活性的需要应掌握在500℃。【典型例题】[例1]在某容积一定的密闭容器中，可逆反应：)()(gBgA)(gxC，符合下列图象（I）所示关系。由此推断对图象（II）的正确说法是（）A.43pp，Y轴表示A的转化率B.43pp，Y轴表示B的百分含量C.43pp，Y轴表示混合气体的密度D.43pp，Y轴表示混合气体的平均相对分子质量c%T1P1T1P2T2P2abctIII解析：依图（I）中，确定P，看T1、T2曲线，先拐说明先达到平衡，由此可知21TT；同样确定T，看P1、P2曲线，由先拐先平，可知12PP；再观察曲线与纵坐标关系，可知当T↑c%↓，则平衡向左移动，正反应为放热反应，P↑c%↑，则平衡向右移动，2x，1x。由图（I）所得结论，分析图II，可知y代表A的转化率，还可表示混合气体的平均相对分子质量。答案：A、D[例2]将23Omol加入到V升的反应器中，在高温下放电，经st1建立了平衡体系：23O32O，此时测知2O的转化率为30%，下列图象能正确表示气体的物质的量浓度（m）跟时间（t）的关系的是（）tO2O3mO3mO2tt1O3t1mO2tO3mO2t1ttO2O3mO3mO2tt1O3t1mO2tO3mO2t1tABtO2O3mO3mO2tt1O3t1mO2tO3mO2t1ttO2O3mO3mO2tt1O3t1mO2tO3mO2t1tCD解析：根据题意可知如下几点：（1）O2转化率为30%。（2）开始反应器中无O3，经计算又可知)(2Oc，)(3Oc但平衡时)()(32OcOc，则A、B、D错误。答案：C[例3]在容积不同的密闭容器内，分别充入同量的2N和2H，在不同温度下，任其发生反应：223HN32NH，并分别在t秒时测定其中3NH的体积百分含量，如图。（1）A、B、C、D、E五点中，尚未达到化学平衡状态的点是。（2）此可逆反应的正反应是（反应）（填“放热”或“吸热”）。（3）A、C段的曲线是增函数，C、E段曲线是减函数，试从反应速率和化学平衡的角度说明理由：。解析：首先弄懂此图的涵义，从0→C是平衡前，由于正反应是放热反应，随反应进行，3NH%↑，T升高，从C→E是平衡时，T升高，平衡向←移动，3NH%下降。答案：（1）A、B；（2）放热；（3）C点生成3NH%最高，是平衡点，在A——C段平衡前，C——E段升高温度，3NH%含量减少，正向放热，升温平衡逆向移动。[例4]合成氨所用的2H可由煤与水反应制得，其中有一步反应为)()(2gOHgCOQgHgCO)()(22，欲提高CO转化率可采用的方法有：①降低温度；②增加压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度；其中正确的组合是（）A.①②③④⑤B.①⑤C.①④⑤D.只有⑤解析：该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高CO的转化率，可设法使化学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求，增加水蒸气的浓度，平衡向正反应方向转动，CO的转化率也可以增大；但若增加CO的浓度，平衡虽然向右移动，但CO的总量增大，其转化率反而减小，增大压强的使用催化剂的操作只能加快反应速率，缩短达平衡的时间，而与平衡时CO的转化率无关。答案：B[例5]下列事实不能用勒沙特列原理解释的是（）A.加入催化剂有利于合成氨的反应B.高压有利于合成氨的反应C.500℃有利于合成氨的反应D.将混合气体中的氨气液化有利于合成氨反应答案：AC解析：合成氨的反应是一个气体体积缩小的放热反应，加压能使平衡向生成氨的方向移动，升温不利于生成氨，但能使催化剂活性大，提高反应速率；将氨液化降低氨气浓度，平衡向生成氨气方向移动；催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡的时间。[例6]在一定条件下，合成氨反应到达平衡状态，此时，再进行如下操作，平衡不发生移动的是（）A.恒温、恒压时，充入NH3B.恒温、恒容时，充入N2C.恒温、恒压时，充入HeD.恒温、恒容时，充入He解析：在一定温度下，向平衡混合气体中加入不参与反应的气体，若体积未改变，则对平衡无影响；若体积增大，则对平衡有影响，其影响情况与不加入该气体而增大体积时对平衡的影响情况相同。同时改变影响平衡的两个条件时，为使平衡移动情况变得有规律可循，一般需要设计另外一条到达同一平衡状态的途径，即先只改变其中一个条件，再改变另一个条件。该题需应用平衡移动原理对题给选项逐项分析。A项，充入NH3会改变NH3的浓度，对平衡有影响；为保持恒压，须增大体积，对平衡也有影响。为便于判断平衡移动的方向，可这样设想：先在恒温、恒容下充入NH3，这时由于NH3的浓度增大，平衡会向NH3分解的方向移动；再在恒温下增大体积（即减小压强），使压强与原平衡相等，这时平衡也会向NH3分解的方向移动．所以，在恒温、恒压下充入NH3，会使平衡向NH3分解的方向移动。B项，在恒温、恒容下充入N2，会使N2的浓度增大、从而使平衡向生成NH3的方向移动。C项，He不参与化学反应，但在恒温、恒压下充入He，必须引起体积增大，这如同减小平衡混合气体的压强，平衡会向NH3分解的方向移动。D项，在恒温、恒容下充入He，由于平衡混合物中任一组分的浓度均未改变，所以平衡不移动。应选D。答案：D【模拟试题】（答题时间：40分钟）一.选择题（每小题有一个或两个选项符合题意）1.在N2+3H22NH3（正反应为放热）的平衡体系中，保持温度不变，充入氩气，使容器体积和压强均增大一倍，此时平衡将（）A.不移动B.向正反应方向移动C.向逆反应方向移动D.不能确定是否移动2.工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度，其原因是（）①适当提高氨的合成速率，②提高H2的转化率，③提高氨的产率，④催化剂在500℃时活性最大A.①B.①②C.②③④D.①④3.在合成氨工业中，实现下列目的变化过程中与平衡移动无关的是（）A.为增加NH3的日产量，不断将NH3分离出来B.为增加NH3的日产量，使用催化剂C.为增加NH3的日产量，采用500℃左右的高温D.为增加NH3的日产量而采用2×107～5×107Pa的压强4.在带有活塞的密闭容器中压入5molH2和5molN2，在某温度下经反应生成2molNH3，若此时容器的压强不变，则容器体积是反应前的（）A.2倍B.1.5倍C.0.8倍D.0.5倍5.合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为：CO+H2OCO2+H2（正反应为放热），要使CO转化率提高，可采用下列措施中的（）A.增大水蒸气的浓度B.增大CO的浓度C.降低温度D.增大压强6.将含1molNH3的密闭容器a加热，部分NH3分解，并达到平衡，此时NH3的体积分数是x％。若在该容器中加入2molNH3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡时，设此时NH3的体积分数为y％，则x和y的正确关系是（）A.x＞yB.x＜yC.x=yD.x≥y7.在一定条件下，可逆反应x（气）+3y（气）2z（气）达到平衡时，有37.5％的y转化为z，有25％的x转化为z。则起始时，充入容器中的x和y的物质的量之比为（）A.1:3B.3:1C.3:2D.1:28.在固定容积的密闭容器中，氮与氢合成氨的反应达到了平衡，此时容器中含有0.1molN2、0.3molH2和0.1molNH3，若维持原来的条件，向该容器中再同时加入0.1molN2、0.3molH2和0.1molNH3，则（）A.正、逆反应速率同时增大，化学平衡不移动B.正、逆反应速率同时增大，混合气体中NH3的体积分数增大C.正、逆反应速率同时增大，化学平衡向逆反应方向移动D.正、逆反应速率不变，化学平衡不移动9.下面是合成氨的简要流程示意图：沿X路线回去的物质是（）A.N2和H2B.催化剂C.NH3D.H210.工业上用以合成氨的原料气——氢气，来源之一是取自石油气，如用丙烷在一定条件下与水反应：C3H8+H2O→CO2+H2，按此原理1mol丙烷最多可制氨气约为（）A.4molB.10molC.2.7molD.6.6mol二.填空题11.工业上合成氨的反应为N2（气）+3H2（气）2NH3（气）反应放热92.4kJ。（1）使用铁触媒作催化剂是为了________。（2）通常采用2×107Pa～5×107Pa的压强，原因是________。（3）选择500℃左右的温度进行反应，是由于________。（4）将生成的氨及时从混合气中分离出来，原因是________。12.在标准状况下，将67.2L氮气和44.8L氢气混合，在一定条件下使之反应合成氨气，反应达到平衡时，测得反应后的混合气体中氨的体积分数为30％。（1）平衡时反应混合物在标准状况下的总体积是________。（2）平衡时混合气体中氮气的体积分数是。13.合成氨工业采用高压条件进行反应；接触法制硫酸工业采用常压条件进行反应，其理由是________。三.计算题14.将N2和H2按一定比例混合，在相同状况下其密度是H2的3.6倍。取0.5mol该混合气体充入密闭容器内，使之发生反应并在一定条件下达到平衡。已知反应达平衡后容器内压强是相同条件下反应前压强的0.76倍。试求：（1）反应前混合气体中N2和H2的体积比；（2）达到平衡时混合气体中氨的物质的量；（3）平衡时N2的转化率。15.在密闭容器中充入体积比为1:3的N2、H2，平衡时测得混合气体中NH3的体积分数为20％，则此时容器内的压强与开始时的压强比是多少？16.有平均式量为8.5的氢氮混合气体，通过合成塔后出来的混合气体的平均式量为9.4，求H2的转化率。【试题答案】一.1.C2.D3.B、C4.C5.A、C6.B7.D8.B9.A10.D二.11.（1）提高反应速率。（2）该反应是一个气体体积数减小的反应，增大压强，有利于平衡向右移动。（3）合成氨的反应是放热反应，温度升高，不利于氨的生成，但温度过低，反应速率很慢，故需采用500℃左右的适宜温度，且500℃左右时催化剂的活性最大。（4）减小生成物氨的浓度，有利于化