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+3H22NH3(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N2、H2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H2、N2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，N2+3H22NH3在500℃时达到平衡，问：(1)将H2、NH3的浓度同时增大1倍，平衡如何移动?(2)将N2、NH3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N2视为液体(常数)，将浓度改变的H2、NH3视为气体，得出等效平衡N2(l)+3H2(g)2NH3(g)，将H2、NH3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2NO2N2O4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NO2和N2O4，][][422ONNO的比值如何变化?分析：先运用上节所介绍的等效假设，增加NO2或N2O4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NO2还是增加N2O4，都有][][422ONNO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SO2转化为SO3：2SO2+O22SO3(正反应放热)已知常压下平衡混合气体中SO3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SO2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N2和H2按1∶3体积比混合，当反应达到平衡时，混合气中NH3的体积分数为25%，求N2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NH3为25体积.由于N2和H2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：N2+3H32NH3平衡时7525起始时75+500转化率：αN2=αH2=12550×100%=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NH3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()A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2分析：设起始时H2为amol，N2为bmol，平衡时NH3为xmol，则3H2+N22NH3起始时ab0平衡后a-3x/2b-x/2x因为，在相同条件下，气体的物质的量之比等于体积比据题意可得方程：xxbxax)2/()2/3(=25%.化简得bax=1/5，故正确答案为A.评析：本题是一道简单的计算题，关键是根据题意列出方程，但必须注意，题目并未规定n(H2)∶n(N2)=3∶1，且反应是可逆的.否则，就会导致错选D.另解：利用例1的解题思想，这里无论起始投入按何种比例，仍可设平衡时总体积为100L，则NH3为25L，H2和N2共75L.按反应化学计量数关系，反应前原反应物体积应为(75+50)L，反应后缩小的体积为(125-100)L，所求比值为(125-100)∶125＝51.例3：工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素.已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生H2和CO2，H2是合成氨的原料，CO2供合成尿素用.若从充分利用原料的角度考虑，选用(填序号)物质作原料较好.A.COB.石脑油(C5H12、C6H14)C.CH4D.焦炭作出这种选择的依据是.(杭州市联考试题)分析：根据反应：N2+3H22NH3，CO2+2NH3CO(NH2)2+H2O，若要充分利用原料，显然要求原料与水反应产生的H2和CO2物质的量之比等于或接近于3∶1时，上述反应趋于恰好反应，原料得以充分利用.根据题示信息：C+2H2O＝CO2+2H2(2∶1)，CO+H2O＝CO2+H2(1∶1)CH4+2H2O＝CO2+4H2(4∶1)，C5H12+10H2O＝5CO2+16H2(3.2∶1)，故石脑油的利用率最高，答案为B.评析：若要求充分利用原料，通常有两种途径：(1)所投入的原料物质的量之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比，使原料恰好反应；(2)增加廉价物质的量，使价格贵重物质充分利用，亦即提高价格贵重的原料利用率.【典型热点考题】例1：在氮气、氢气合成氨的合成塔中，进入的气体按N2与H2体积比为1∶3，塔中的压强为1.62×107Pa，又知从塔中出来的气体中，NH3占25%(体积百分组成).求：(1)从合成塔出来的混合气体中，N2和H2的体积百分组成.(2)合成塔出来气体的压强.分析：(1)N2+3H22NH3反应中N2与H2的体积比(同于物质的量之比)和原料混合气体中的比值相同，故从塔中出来的气体中N2∶H2仍为1∶3.即V(N2)=(1-25%)×41×100%=18.75%V(H2)=(1-25%)×43×100%=56.25%(2)N2+3H22NH3起始(mol)130平衡(mol)1-x3-3x2xxxxx2)33()1(2×100%=25%，x=0.4即1-x=0.6,3-3x=1.8,2x=0.8∴n2=3.2mol，而n1=4molT不变时p1∶p2=n1∶n2则p2=p1·12nn=1.62×107×42.3=1.30×107(Pa).评析：巧用原料气配比和反应进行特点以及阿伏加德罗定律解题.此题属合成氨工业生产基本的理论计算.例2：(1997年全国高考题)把氢氧化钙放入蒸馏水中，一定时间后反应达到如下平衡：Ca(OH)2Ca2++2OH-加入以下溶液，可使Ca(OH)2减少的是()A.Na2S溶液B.AlCl3溶液C.NaOH溶液D.CaCl2溶液分析：要使Ca(OH)2的量减少，需使平衡Ca(OH)2(固)Ca2++2OH-向右移动，而减少Ca2+的浓度或OH-的浓度可使平衡右移.A、C溶液呈碱性，能增大OH-的浓度，D能增大Ca2+的浓度，即A、C、D均使平衡左移；只有B中的Al3+能结合OH-，使平衡右移.答案为B.评析：勒夏特列原理除适用于化学平衡外，同样可应用在溶解平衡、电离平衡、水解平衡中.例3：(1998年上海高考题)牙齿表面由一层硬的、组成为Ca5(PO4)3OH的物质保护着，它在唾液中存在下列平衡：Ca5(PO4)3OH(固)5Ca2++3PO43-+OH-(1)进食后，细菌和酶作用于食物，产生有机酸，这时牙齿就会受到腐蚀，其原因是.(2)已知Ca5(PO4)3F(固)的溶解度比上面的矿化产物更小，质地更坚固.当牙膏中配有氟化物添加剂后能防止龋齿的原因是(用离子方程式表示).(3)根据以上原理，请你提出一种其他促进矿化的方法.答：.分析：(1)H++OH-＝H2O，使平衡向脱矿方向移动.(2)依据信息，F-替换平衡中的OH-，生成溶解度更小、质地更坚固的Ca5(PO4)3F,5Ca2++3PO43-+F-=Ca5(PO4)3F↓.(3)促进矿化的方法之一是使上述平衡向左移动.一种可行的方法是加Ca2+，使平衡向左移动.评析：本题主要考查运用勒夏特列原理解决化学实际问题的能力.题目新颖，但答案就在题干中，关键在于认真理解题意，并能和所学知识联系起来.【同步达纲练习】1.氨的合成反应为N2+3H22NH3(正反应放热)，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是()A.低温、高压、催化剂B.高温、高压C.尽可能的高温、高压D.适当温度、适当高压、催化剂2.下列事实中，不能用勒夏特列原理解释的是()A.由H2和N2合成氨时，在高压下进行是有利的B.升高盛放水的密闭容器中的温度，水的蒸气压就增大C.合成氨在高温下进行，加入催化剂使反应速率增加，这对氨的合成有利D.降低压强，使N2O4的分解率增高3.以下事实不能用勒夏特列原理解释的是()A.温度过高对合成氨不利B.合成氨在高