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2019-2020 年高二化學(xué) 合成氨條件的選擇知識精講 人教版第二冊 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 合成氨條件的選擇 二. 重點、難點 1. 使學(xué)生理解合成氨的化學(xué)原理，并能應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論，選擇合成氨 的適宜條件，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。 2. 了解合成氨工業(yè)生產(chǎn)的主要流程。 3. 向?qū)W生介紹我國解放后合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，對學(xué)生進(jìn)行愛國主義教育。 三. 具體內(nèi)容 （一）原理 1 體積 3 體積 2 體積（正反應(yīng)放熱） 合成氨反應(yīng) 分析角度 反應(yīng)要求 外界條件 使氨生成得快 （從化學(xué)反應(yīng)速率分析） 使氨生成得多 （從化學(xué)平衡分析） 壓強 （高壓） （高壓） 溫度 （高溫） （低溫） 是否要用催化劑 （使用） （不影響） （二）適宜條件的選擇 1. 壓強。增大壓強，有利于的合成，但在實際生產(chǎn)中，壓強不可能無限制的增大，因為 壓強越大，需要的動力越大，對材料的強度和設(shè)備的制造要求也越高，勢必增大生產(chǎn)成本， 降低綜合經(jīng)濟效益。因此，受動力、材料、設(shè)備等條件的限制，目前我國合成氨廠一般采 用的壓強是。 2. 溫度。合成氨為放熱反應(yīng)，低溫有利于氨的生成。但是溫度越低，反應(yīng)速率越慢，到 達(dá)平衡所需要的時間越長，因而單位時間內(nèi)產(chǎn)量低，這在工業(yè)生產(chǎn)中是很不經(jīng)濟的。綜合 考慮各種因素，在實際生產(chǎn)上，采用 500℃的溫度，此時催化劑的活性最大。 3. 催化劑。由于分子非常穩(wěn)定， 與 的化合十分困難，即使采用了加熱與高壓的條件， 合成氨的反應(yīng)還是十分緩慢。為了加快化合反應(yīng)速率，降低反應(yīng)所需要的能量，合成氨工 業(yè)普遍使用鐵觸媒作催化劑。 合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理可以用以下化學(xué)方程式表示： （三）綜合分析： 1. 增加與的體積比，并不斷分離出，同時補充和的濃度。 2. 增大壓強為設(shè)備鋼板能承受的程度，一般為～。 3. 由于催化劑活性的需要應(yīng)掌握在 500℃。 【典型例題】 [例 1] 在某容積一定的密閉容器中，可逆反應(yīng)：，符合下列圖象（I）所示關(guān)系。由此推斷 對圖象（II）的正確說法是（ ） A. ，Y 軸表示 A 的轉(zhuǎn)化率 B. ，Y 軸表示 B 的百分含量 C. ，Y 軸表示混合氣體的密度 D. ，Y 軸表示混合氣體的平均相對分子質(zhì)量 c%T1P2abt I II 解析：依圖（I）中，確定 P，看 T1、T 2 曲線，先拐說明先達(dá)到平衡，由此可知；同樣 確定 T，看 P1、 P2 曲線，由先拐先平，可知；再觀察曲線與縱坐標(biāo)關(guān)系，可知當(dāng) T↑c%↓，則平衡向左移動，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，P↑c%↑，則平衡向右移動， ， 。由圖 （I）所得結(jié)論，分析圖 II，可知 y 代表 A 的轉(zhuǎn)化率，還可表示混合氣體的平均相對分子質(zhì) 量。 答案：A、D [例 2] 將加入到 V 升的反應(yīng)器中，在高溫下放電，經(jīng)建立了平衡體系： ，此時測知的轉(zhuǎn) 化率為 30%，下列圖象能正確表示氣體的物質(zhì)的量濃度（m）跟時間（t）的關(guān)系的是（ ） tO23t1O31m2t321t 3 Ot A BtO23t1312t321t C D 解析：根據(jù)題意可知如下幾點： （1）O 2 轉(zhuǎn)化率為 30%。 （2）開始反應(yīng)器中無 O3，經(jīng)計算又可知，但平衡時，則 A、B 、D 錯誤。 答案：C [例 3] 在容積不同的密閉容器內(nèi)，分別充入同量的和，在不同溫度下，任其發(fā)生反應(yīng)：， 并分別在 t 秒時測定其中的體積百分含量，如圖。 （1）A、B、C、D、E 五點中，尚未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點是 。 （2）此可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是 （反應(yīng)） （填“放熱”或“吸熱” ） 。 （3）A、C 段的曲線是增函數(shù)，C、E 段曲線是減函數(shù)，試從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的 角度說明理由： 。 解析：首先弄懂此圖的涵義，從 0→C 是平衡前，由于正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進(jìn) 行，%↑ ，T 升高，從 C→E 是平衡時，T 升高，平衡向←移動，%下降。 答案： （1）A、B； （2）放熱； （3）C 點生成%最高，是平衡點，在 A——C 段平衡前，C——E 段升高溫度，%含量 減少，正向放熱，升溫平衡逆向移動。 [例 4] 合成氨所用的可由煤與水反應(yīng)制得，其中有一步反應(yīng)為，欲提高 CO 轉(zhuǎn)化率可采用 的方法有：① 降低溫度；② 增加壓強；③ 使用催化劑；④ 增大 CO 的濃度；⑤ 增大水 蒸氣的濃度；其中正確的組合是（ ） A. ①②③④⑤ B. ①⑤ C. ①④⑤ D. 只有⑤ 解析：該反應(yīng)是一個氣體總體積不變的放熱反應(yīng)，欲提高 CO 的轉(zhuǎn)化率，可設(shè)法使化 學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，顯然降低溫度可以滿足這一要求，增加水蒸氣的濃度，平衡向 正反應(yīng)方向轉(zhuǎn)動，CO 的轉(zhuǎn)化率也可以增大；但若增加 CO 的濃度，平衡雖然向右移動，但 CO 的總量增大，其轉(zhuǎn)化率反而減小，增大壓強的使用催化劑的操作只能加快反應(yīng)速率， 縮短達(dá)平衡的時間，而與平衡時 CO 的轉(zhuǎn)化率無關(guān)。 答案：B [例 5] 下列事實不能用勒沙特列原理解釋的是（ ） A. 加入催化劑有利于合成氨的反應(yīng) B. 高壓有利于合成氨的反應(yīng) C. 500℃有利于合成氨的反應(yīng) D. 將混合氣體中的氨氣液化有利于合成氨反應(yīng) 答案：AC 解析：合成氨的反應(yīng)是一個氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，加壓能使平衡向生成氨的方向 移動，升溫不利于生成氨，但能使催化劑活性大，提高反應(yīng)速率；將氨液化降低氨氣濃度， 平衡向生成氨氣方向移動；催化劑只能提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間。 [例 6] 在一定條件下，合成氨反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)，此時，再進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移 動的是（ ） A. 恒溫、恒壓時，充入 NH3 B. 恒溫、恒容時，充入 N2 C. 恒溫、恒壓時，充入 He D. 恒溫、恒容時，充入 He 解析：在一定溫度下，向平衡混合氣體中加入不參與反應(yīng)的氣體，若體積未改變，則 對平衡無影響；若體積增大，則對平衡有影響，其影響情況與不加入該氣體而增大體積時 對平衡的影響情況相同。 同時改變影響平衡的兩個條件時，為使平衡移動情況變得有規(guī)律可循，一般需要設(shè)計 另外一條到達(dá)同一平衡狀態(tài)的途徑，即先只改變其中一個條件，再改變另一個條件。 該題需應(yīng)用平衡移動原理對題給選項逐項分析。A 項，充入 NH3 會改變 NH3 的濃度， 對平衡有影響；為保持恒壓，須增大體積，對平衡也有影響。為便于判斷平衡移動的方向， 可這樣設(shè)想：先在恒溫、恒容下充入 NH3，這時由于 NH3 的濃度增大，平衡會向 NH3 分解 的方向移動；再在恒溫下增大體積（即減小壓強） ，使壓強與原平衡相等，這時平衡也會向 NH3 分解的方向移動．所以，在恒溫、恒壓下充入 NH3，會使平衡向 NH3 分解的方向移動。 B 項，在恒溫、恒容下充入 N2，會使 N2 的濃度增大、從而使平衡向生成 NH3 的方向移動。 C 項，He 不參與化學(xué)反應(yīng)，但在恒溫、恒壓下充入 He，必須引起體積增大，這如同減小 平衡混合氣體的壓強，平衡會向 NH3 分解的方向移動。D 項，在恒溫、恒容下充入 He， 由于平衡混合物中任一組分的濃度均未改變，所以平衡不移動。應(yīng)選 D。 答案：D 【模擬試題】 （答題時間：40 分鐘） 一. 選擇題（每小題有一個或兩個選項符合題意） 1. 在 N2+3H2 2NH3（正反應(yīng)為放熱）的平衡體系中，保持溫度不變，充入氬氣，使容器 體積和壓強均增大一倍，此時平衡將（ ） A. 不移動 B. 向正反應(yīng)方向移動 C. 向逆反應(yīng)方向移動 D. 不能確定是否移動 2. 工業(yè)上合成氨時一般采用 500℃左右的溫度，其原因是（ ） ① 適當(dāng)提高氨的合成速率， ②提高 H2 的轉(zhuǎn)化率， ③ 提高氨的產(chǎn)率， ④ 催化劑在 500℃時活性最大 A. ① B. ①② C. ②③④ D. ①④ 3. 在合成氨工業(yè)中，實現(xiàn)下列目的變化過程中與平衡移動無關(guān)的是（ ） A. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量，不斷將 NH3 分離出來 B. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量，使用催化劑 C. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量，采用 500℃左右的高溫 D. 為增加 NH3 的日產(chǎn)量而采用 2107～510 7Pa 的壓強 4. 在帶有活塞的密閉容器中壓入 5molH2 和 5molN2，在某溫度下經(jīng)反應(yīng)生成 2mol NH3， 若此時容器的壓強不變，則容器體積是反應(yīng)前的（ ） A. 2 倍 B. 1.5 倍 C. 0.8 倍 D. 0.5 倍 5. 合成氨所需的氫氣由煤與水發(fā)生反應(yīng)制得，其中一步反應(yīng)為：CO+H 2OCO2+H2（正反 應(yīng)為放熱） ，要使 CO 轉(zhuǎn)化率提高，可采用下列措施中的（ ） A. 增大水蒸氣的濃度 B. 增大 CO 的濃度 C. 降低溫度 D. 增大壓強 6. 將含 1mol NH3 的密閉容器 a 加熱，部分 NH3 分解，并達(dá)到平衡，此時 NH3 的體積分 數(shù)是 x％。若在該容器中加入 2mol NH3 后密封，加熱到相同溫度，使反應(yīng)達(dá)到平衡時，設(shè) 此時 NH3 的體積分?jǐn)?shù)為 y％，則 x 和 y 的正確關(guān)系是（ ） A. x＞y B. x＜y C. x= y D. x≥y 7. 在一定條件下，可逆反應(yīng) x（氣）+3y（氣）2z（氣）達(dá)到平衡時，有 37.5％的 y 轉(zhuǎn)化 為 z，有 25％的 x 轉(zhuǎn)化為 z。則起始時，充入容器中的 x 和 y 的物質(zhì)的量之比為（ ） A. 1:3 B. 3:1 C. 3:2 D. 1:2 8. 在固定容積的密閉容器中，氮與氫合成氨的反應(yīng)達(dá)到了平衡，此時容器中含有 0.1mol N2、0.3mol H2 和 0.1mol NH3，若維持原來的條件，向該容器中再同時加入 0.1mol N2、0.3mol H 2 和 0.1mol NH3，則（ ） A. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，化學(xué)平衡不移動 B. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，混合氣體中 NH3 的體積分?jǐn)?shù)增大 C. 正、逆反應(yīng)速率同時增大，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動 D. 正、逆反應(yīng)速率不變，化學(xué)平衡不移動 9. 下面是合成氨的簡要流程示意圖： 沿 X 路線回去的物質(zhì)是（ ） A. N2 和 H2 B. 催化劑 C. NH3 D. H2 10. 工業(yè)上用以合成氨的原料氣——氫氣，來源之一是取自石油氣，如用丙烷在一定條 件下與水反應(yīng)：C 3H8+H2O→ CO2+H2，按此原理 1mol 丙烷最多可制氨氣約為（ ） A. 4mol B. 10mol C. 2.7mol D. 6.6mol 二. 填空題 11. 工業(yè)上合成氨的反應(yīng)為 N2（氣）+3H 2（氣）2NH 3（氣）反應(yīng)放熱 92.4kJ。 （1）使用鐵觸媒作催化劑是為了________。 （2）通常采用 2107Pa～510 7Pa 的壓強，原因是________。 （3）選擇 500℃左右的溫度進(jìn)行反應(yīng)，是由于________。 （4）將生成的氨及時從混合氣中分離出來，原因是________。 12. 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將 67.2L 氮氣和 44.8L 氫氣混合，在一定條件下使之反應(yīng)合成氨氣， 反應(yīng)達(dá)到平衡時，測得反應(yīng)后的混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)為 30％。 （1）平衡時反應(yīng)混合物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的總體積是________。 （2）平衡時混合氣體中氮氣的體積分?jǐn)?shù)是 。 13. 合成氨工業(yè)采用高壓條件進(jìn)行反應(yīng)；接觸法制硫酸工業(yè)采用常壓條件進(jìn)行反應(yīng)，其 理由是________。 三. 計算題 14. 將 N2 和 H2 按一定比例混合，在相同狀況下其密度是 H2 的 3.6 倍。取 0.5mol 該混合 氣體充入密閉容器內(nèi)，使之發(fā)生反應(yīng)并在一定條件下達(dá)到平衡。已知反應(yīng)達(dá)平衡后容器內(nèi) 壓強是相同條件下反應(yīng)前壓強的 0.76 倍。試求： （1）反應(yīng)前混合氣體中 N2 和 H2 的體積比； （2）達(dá)到平衡時混合氣體中氨的物質(zhì)的量； （3）平衡時 N2 的轉(zhuǎn)化率。 15. 在密閉容器中充入體積比為 1:3 的 N2、H 2，平衡時測得混合氣體中 NH3 的體積分?jǐn)?shù) 為 20％，則此時容器內(nèi)的壓強與開始時的壓強比是多少？ 16. 有平均式量為 8.5 的氫氮混合氣體，通過合成塔后出來的混合氣體的平均式量為 9.4，求 H2 的轉(zhuǎn)化率。 【試題答案】 一. 1. C 2. D 3. B、 C 4. C 5. A、C 6. B 7. D 8. B 9. A 10. D 二. 11. （1）提高反應(yīng)速率。 （2）該反應(yīng)是一個氣體體積數(shù)減小的反應(yīng)，增大壓強，有利于平衡向右移動。 （3）合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，不利于氨的生成，但溫度過低，反應(yīng)速率 很慢，故需采用 500℃左右的適宜溫度，且 500℃左右時催化劑的活性最大。 （4）減小生成物氨的濃度，有利于化學(xué)平衡向右移動。 12. （1）86.2L （2）62.96％ 13. 合成氨的反應(yīng)是一個氣體體積減小的反應(yīng)，高壓有利于平衡向右移動，制 SO3 的反 應(yīng)：2SO 2+O2 2SO3 盡管也是一個氣體體積減小的反應(yīng)，但在常壓下 SO2 的轉(zhuǎn)化率已較高。 三. 14. （1） （2） （3） 15. 16. 19.15%