2.4《化学反应条件的优化—工业合成氨》导学案（学生版）
[目标要求]
1.认识合成氨的化学原理。
2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。
3.了解合成氨生产的主要流程。
4.了解工业条件选择的依据和原则。
一、合成氨反应的限度
1．合成氨的化学反应方程式________________________________________。
2．合成氨反应的特点
(1)它是一个________反应。
(2)正反应是一个________反应。
(3)正反应是气体体积________的反应。
因此，________温度、________压强将有利于化学平衡向生成____的方向移动。在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率
1．速率方程：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)·c3/2(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
2．温度升高时，k增大，因此升温有利于提高合成氨的速率。
3．加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
三、合成氨的适宜条件
1．合成氨反应条件的选择原理
工业生产中，既要考虑尽量增大反应物的____________，充分利用原料，又要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况具体分析，找出最佳的反应条件。
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件
②理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。
(2)温度
①适宜条件：________左右。
②理论依据：该温度下催化剂的活性最高，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。
(3)催化剂
①适宜条件：以____为主的多成分催化剂。
②理论依据：加快反应速率。
(4)浓度
①适宜条件：氮气和氢气按物质的量之比1∶2.8时混合，适时分离出氨气。
②理论依据：适当提高氮气的分压，来提高氢气的转化率。
(5)其他
为了提高原料的__________，未反应的氮气和氢气循环使用并及时补充氮气和氢气。
3．合成氨工业生产流程
(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。用天然气和水制H2的主要反应为：
CH4＋H2O(g)CO＋3H2
CO＋H2O(g)CO2＋H2
(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，使其被充分利用。
4．合成氨的发展前景
(1)寻找________温度下合成氨的催化剂。
(2)研制出能承受________且廉价的新材料。
(3)人工模拟生物固氮。
知识点一 合成氨反应的限度
1．能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( )
A．升高温度 B．降低压强 C．使用催化剂 D．不断移去NH3
2．利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率应采取的措施是( )
A．高温 B．高压 C．使用催化剂 D．增大N2的浓度
知识点二 合成氨条件的选择
3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是( )
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
4．2007年10月10日，德国科学家格哈德·埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖，以奖励他在表面化学领域做出的开拓性贡献。合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高，就是埃尔特的研究成果。下列关于合成氨反应的叙述中，正确的是( )
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
B．将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
C．升高温度可以加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
D．增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
5．工业合成氨的反应是在500℃左右进行的，这主要是因为( )
A．500℃时此反应速率最快
B．500℃时NH3的平衡浓度最大
C．500℃时N2的转化率最高
D．500℃时该反应的催化剂活性最大
2.4《化学反应条件的优化—工业合成氨》导学案（教师版）
[目标要求]
1.认识合成氨的化学原理。
2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。
3.了解合成氨生产的主要流程。
4.了解工业条件选择的依据和原则。
一、合成氨反应的限度
1．合成氨的化学反应方程式________________________________________。
2．合成氨反应的特点
(1)它是一个________反应。
(2)正反应是一个________反应。
(3)正反应是气体体积________的反应。
因此，________温度、________压强将有利于化学平衡向生成____的方向移动。在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率
1．速率方程：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)·c3/2(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
2．温度升高时，k增大，因此升温有利于提高合成氨的速率。
3．加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
三、合成氨的适宜条件
1．合成氨反应条件的选择原理
工业生产中，既要考虑尽量增大反应物的____________，充分利用原料，又要选择较快的____________，提高单位时间内的产量。以上两点是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况具体分析，找出最佳的反应条件。
2．合成氨反应的适宜条件
(1)压强
①适宜条件
②理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。
(2)温度
①适宜条件：________左右。
②理论依据：该温度下催化剂的活性最高，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。
(3)催化剂
①适宜条件：以____为主的多成分催化剂。
②理论依据：加快反应速率。
(4)浓度
①适宜条件：氮气和氢气按物质的量之比1∶2.8时混合，适时分离出氨气。
②理论依据：适当提高氮气的分压，来提高氢气的转化率。
(5)其他
为了提高原料的__________，未反应的氮气和氢气循环使用并及时补充氮气和氢气。
3．合成氨工业生产流程
(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。用天然气和水制H2的主要反应为：
CH4＋H2O(g)CO＋3H2
CO＋H2O(g)CO2＋H2
(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，使其被充分利用。
4．合成氨的发展前景
(1)寻找________温度下合成氨的催化剂。
(2)研制出能承受________且廉价的新材料。
(3)人工模拟生物固氮。
知识点一 合成氨反应的限度
1．能够使合成氨反应进行的程度增大的措施是( )
A．升高温度 B．降低压强 C．使用催化剂 D．不断移去NH3
2．利用原料气在合成塔中合成NH3，为提高N2的转化率应采取的措施是( )
A．高温 B．高压 C．使用催化剂 D．增大N2的浓度
知识点二 合成氨条件的选择
3．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是( )
A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
4．2007年10月10日，德国科学家格哈德·埃尔特生日的当天获得了诺贝尔化学奖，以奖励他在表面化学领域做出的开拓性贡献。合成氨反应在铁催化剂表面进行时效率显著提高，就是埃尔特的研究成果。下列关于合成氨反应的叙述中，正确的是( )
A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
B．将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
C．升高温度可以加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
D．增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动
5．工业合成氨的反应是在500℃左右进行的，这主要是因为( )
A．500℃时此反应速率最快
B．500℃时NH3的平衡浓度最大
C．500℃时N2的转化率最高
D．500℃时该反应的催化剂活性最大
参考答案
基础落实
一、1.N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
2．(1)可逆 (2)放热 (3)减小 降低 增大 氨
二、1.增大
三、1.转化率 反应速率
2．(1)①低压 中压 高压 (2)①700 K (3)①铁 (5)利用率
4．(1)较低 (2)高压
对点训练
1．D [合成氨的反应特点：体积减小的放热反应，增大压强或降低温度均可增大反应进行的程度，此外增大反应物浓度或减小生成物浓度也可达到目的。]
2．B [由于合成氨的反应是一个体积减少的反应，高压有利于平衡右移，提高N2的转化率；又由于该反应为放热反应，高温平衡逆向移动，N2的转化率降低；使用催化剂仅提高反应速率，不会使平衡发生移动；增大N2的浓度，使平衡右移，但N2的转化率降低。]
3．B [催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500℃是综合考虑反应速率和转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。]
4．D 5.D
2.4《化学反应条件的优化---工业合成氨》教学设计
【教材分析】普通高中课程标准实验教科书化学反应原理（鲁科版）第2章第4节“化学反应条件的优化——工业合成氨”的内容是前三节“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应的速率”的延续，是对前三节知识的综合应用。合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义，是重要的化学工业之一；同时氮气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。本节以合成氨反应为研究对象，有利于学生应用化学平衡理论和化学反应速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学理论的学习对生产实践的指导作用。
【学情分析】学生在前面的学习中，对化学平衡理论和化学反应速率理论有了一定程度的认识。经过高中一年的训练，学生善于质疑、主动思考、积极获取知识的学习习惯已基本养成，参与意识、合作意识已有较明显提高。他们正处于生理的高速发展期，认识能力和知识水平都达到了较高的层次，他们正经历着从习惯于感性思维、形象思维向更加关注理性思维、抽象思维的转轨期，所以在教学中注意引导学生分析、讨论，使他们的认识过程从直观的体验和想象上升到理性的思维阶段。
【设计思想】根据本节内容，先让学生就合成氨反应的热力学、动力学问题分别进行讨论，再综合考虑工业生产中的各种因素，对合成氨反应的适宜条件进行选择。将本节的教学过程分为三个环节：①分别利用学过的化学平衡和化学反应速率理论讨论合成氨的适宜条件；②综合考虑合成氨生产中动力、设备、材料、生产效率等因素，寻找工业合成氨的优化生产条件；③展望合成氨的发展前景，拓宽学生的视野。在讨论时注意问题设置的难度，利用平衡移动原理对反应转化率的探讨只局限在定性分析的水平上，而对于化学反应速率的研究则从半定量的角度进行。
【教学目标】
知识与技能：
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．通过对合成氨适宜条件的分析，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。
过程与方法：
1．通过对合成氨适宜条件的研究选择，学会把握主要矛盾、统筹兼顾解决问题的能力，培养理论联系实际的能力；
2．在运用理论解决问题的过程中，进一步加深对所学理论的理解，提高实际应用能力；
3．通过讨论、交流发现问题和解决问题，体验合作学习的过程和乐趣。
情感态度与价值观：
1．初步形成从多方面综合思考问题的意识；
2．认识化学反应原理在工业生产中的重要作用，提升学生对化学反应的价值的认识，从而赞赏化学科学对个人生活和社会发展的贡献。
【教学重点和难点】
重点：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：如何引导学生应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和和方法。
[教学过程]
分析:合成氨的反应特点
N2+3H2 2NH3 正反应为放热反应 正反应为气体体积减小的反应
请根据正反应的焓变和熵变分析在298K下合成氨反应能否自发进行能自发进行
[联想质疑]?利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了约130年的时间。化学反应N2(g) + 3H2(g) ?2NH3(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的发展过程？（倾听、思考）?合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？（创设问题情境）
[投影]?合成氨的车间外貌和生产设备图。（浏览图片）
[板书]?第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨
一、自主获取信息
(一)合成氨的反应限度
请同学们根据合成氨反应的特点,利用影响化学平衡移动的因素,分析什么条件有利于氨生成。（降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动；N2与H2的体积比为1：3时，平衡混合物中氨的含量最高）
交流·研讨参阅66页
合成氨反应是一个可逆反应：N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)。
已知298 K时：△H==一92．2 kJ·mol-1 △S=一198．2 J·K一1·mol一1
(提示：合成氨反应的特点：①可逆反应；②熵减小的反应；③正反应气态物质系数减小；④正反应是放热反应。)
1．请你根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行。
2．请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。
[结论]
高温,低压有利于化学平衡正向移动,N2,H2浓度比为1:3有利于化学平衡正向移动.
(二)合成氨反应的速率------阅读67页交流研讨
条件
Ea／kJ·mol一1
k(催)/k(无)
无催化剂
335
3.4×1012(700 K)
使用铁催化剂
167
[交流·?研讨]
1、结合影响反应速率的因素,思考什么条件 能使氨生成的快
答：升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
2、实验表明,在特定条件下,合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为
答：ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)
3、请你根据关系式分析:各物质的浓度对反应速率有哪些影响 可以采取哪些措施来提高反应速率
答： 增大N2、H2浓度、将氨及时从混合气中分离出去
二、合成氨的适宜条件
[交流·研讨]
1．根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率?请将你的建议填入下表。
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
活化能高
分子数减小
低温时反应速率低
平衡常数不大
原料气浓度增加能提高反应速率
氨气浓度增加能降低反应速率
2．请你尝试为合成氨选择适宜条件。
3．在确定合成氨的适宜条件的过程中，你遇到了哪些困难?你是怎样解决的?
4．为了提高合成氨生产的能力，你认为还可以在哪些方面做进一步改进?
催化剂对合成氨反应速率的影响
三、信息整合-----合成氨的适宜条件的选择
据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率讨论:
1、既然增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好 ?
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好?
3、在合成氨工业中要使用催化剂,既然催化剂对化学平衡的移动没有影响,为什么还要使用呢
总结：合成氨适宜条件
催化剂------铁
温度-------700K左右
根据设备动力选择压强-----1×107~ 1×108Pa
N2, H2投料比--------1:2.8
及时分离----氨气
[课堂小结]
[ 课后作业]
【教学小结与反思】
1．新课程理念倡导学生能够从问题和任务出发，积极主动地通过交流研讨等活动，以获取知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式，本课例是以此为指导思想展开的。
2．本节课的重点是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，教学主旨是使学生了解应用化学反应原理选择化工生产条件的思路和方法，初步形成从多方面综合思考问题的意识。
3．在教学过程中，充分利用教材中提供的“交流·研讨”组织学生展开讨论，引导学生将所学的理论知识与合成氨工业的实际问题相联系，做到学以致用。
课件36张PPT。普通高中课程标准实验教科书 化学反应原理（选修四）第二章
化学反应的方向、限度与速率第四节 化学反应条件的优化--工业合成氨化学反应条件的优化
----工业合成氨弗里茨·哈伯与合成氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?温度越高,反应速率越大压强越大,反应速率越大正催化剂加快反应速率反应物浓度越大,反应速率越大升高温度,平衡向吸热方向移动增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响增大反应物浓度,平衡正向移动化学热力学化学动力学化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、
加工制造的要求、温度
的催化剂活性的影响等【交流·研讨】合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知298K时: △H= -92.2KJ·mol-1
△S = -198.2J·K-1·mol-1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2书P65 合成氨反应的特点：①可逆反应③正反应气态物质系数减小④正反应是放热反应②熵减小的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol
(1体积) (3体积) (2体积)
△S = -198.2J·K-1·mol-1一、合成氨反应的限度【交流·研讨】 请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成．书P65 ___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3二、合成氨反应的速率【交流·研讨】1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？书P66 3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响1.升高温度
2.增大压强
3.增大反应物浓度
4.使用催化剂5.增大N2`H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度【交流·研讨】1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？
压强怎么定？
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？
3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？
要不要用催化剂？
1、压强怎么选？ 分析：
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。 综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。
2、温度怎么选择？ 分析：
①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 ②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 ③催化剂要在一定温度下催化活性最大。 综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。 3、用不用催化剂？ 实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。 分析:
经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。 4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。 实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.8（阅读书本67页）研讨的结果根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强 适宜温度
700K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比, 氨及时从混合气中分离出去【总结】我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家.例题 1：
能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）
A、升高温度 B 、降低压强
C、使用催化剂 D 、及时分离出氨气 D2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（??? ）
（A）不断将NH3分离出来
（B）使用催化剂
（C）采用700K左右的高温
（D）采用2×107～5×107Pa的压强BC2.4《化学反应条件的优化—工业合成氨》
课堂练习（学生版）
1．关于工业合成氨的叙述中，错误的是( )
A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行
B．温度越高越有利于工业合成氨
C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本
D．及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动
2．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2
⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧
3．在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是( )
A.改变条件后速率—时间图象如右图：
B．此过程中Q>K
C．平衡体系中NH3的含量增大
D．N2的转化率增大
4．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%。若反应前后压强不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值为( )
A．1∶5 B．1∶4 C．1∶3 D．1∶2
5．对于合成氨的反应，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，都对化学平衡状态无影响
B．都对化学平衡状态有影响，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，只有压强对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用
6．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·mol－1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400℃～500℃时催化效果最好)
下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：
(1)根据化学理论综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是________________________________________________________________________。
(2)实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度，其原因是
________________________________________________________________________。
实际生产中，采用的压强为常压，其原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
在生产中，通入过量空气的目的是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)尾气中有SO2，必须回收是为了
________________________________________________________________________。
7．根据碰撞理论，分子在发生反应时必须要进行有效碰撞。那些具有足够高能量，能发生有效碰撞的分子称为活化分子，要使普通分子成为活化分子所需最小能量称为活化能(Ea)。一定温度下气体分子中的活化分子百分数是一定的，而催化剂可以改变活化能的大小。如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答：
(1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。
(2)在图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)目前合成氨工业广泛采用的反应条件500℃、20 MPa～50 MPa、铁触媒，反应转化率不超过50%，工业上为了进一步提高氨气产率，你认为下列措施最经济可行的是
________________________________________________________________________。
A．降低反应温度，让反应向着有利于氨气生成的方向进行
B．升高温度，让更多的分子变成活化分子
C．寻求能在更低的温度下有很强催化活性的新型催化剂
D．寻求新型耐高压材料，将压强增大一倍
8．在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图象如图所示，请回答：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是
________________________________________________________________________。
(2)此可逆反应的正反应是__________热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
9．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[入料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]
(1)比较200℃和300℃时的数据，可判断升高温度，平衡向____________方向移动，正反应方向为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是________。
A．高温高压 B．高温低压 C．低温高压 D．低温低压
(3)计算500℃，30 MPa时N2的转化率________。
(4)实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取了一些措施。请写出其中的一个措施：________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
2.4《化学反应条件的优化—工业合成氨》
课堂练习（教师版）
1．关于工业合成氨的叙述中，错误的是( )
A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行
B．温度越高越有利于工业合成氨
C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本
D．及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动
2．在合成氨时，要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2
⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．②③⑤⑧
3．在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是( )
A.改变条件后速率—时间图象如右图：
B．此过程中Q>K
C．平衡体系中NH3的含量增大
D．N2的转化率增大
4．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%。若反应前后压强不变，则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值为( )
A．1∶5 B．1∶4 C．1∶3 D．1∶2
5．对于合成氨的反应，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，都对化学平衡状态无影响
B．都对化学平衡状态有影响，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，只有压强对化学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用
6．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·mol－1。(已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400℃～500℃时催化效果最好)
下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：
(1)根据化学理论综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是________________________________________________________________________。
(2)实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度，其原因是
________________________________________________________________________。
实际生产中，采用的压强为常压，其原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
在生产中，通入过量空气的目的是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)尾气中有SO2，必须回收是为了
________________________________________________________________________。
7．根据碰撞理论，分子在发生反应时必须要进行有效碰撞。那些具有足够高能量，能发生有效碰撞的分子称为活化分子，要使普通分子成为活化分子所需最小能量称为活化能(Ea)。一定温度下气体分子中的活化分子百分数是一定的，而催化剂可以改变活化能的大小。如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答：
(1)若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。
(2)在图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)目前合成氨工业广泛采用的反应条件500℃、20 MPa～50 MPa、铁触媒，反应转化率不超过50%，工业上为了进一步提高氨气产率，你认为下列措施最经济可行的是
________________________________________________________________________。
A．降低反应温度，让反应向着有利于氨气生成的方向进行
B．升高温度，让更多的分子变成活化分子
C．寻求能在更低的温度下有很强催化活性的新型催化剂
D．寻求新型耐高压材料，将压强增大一倍
8．在容积相同的密闭容器中，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在不同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图象如图所示，请回答：
(1)A、B、C、D、E五点中，肯定未达平衡的点是
________________________________________________________________________。
(2)此可逆反应的正反应是__________热反应。
(3)AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
9．下表的实验数据是在不同温度和压强下，平衡混合物中NH3含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中NH3的含量(体积分数)[入料V(N2)∶V(H2)＝1∶3]
(1)比较200℃和300℃时的数据，可判断升高温度，平衡向____________方向移动，正反应方向为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是________。
A．高温高压 B．高温低压 C．低温高压 D．低温低压
(3)计算500℃，30 MPa时N2的转化率________。
(4)实际工业生产合成氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，还采取了一些措施。请写出其中的一个措施：________________________________________________________________
________________________________________________________________________
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参考答案
课时作业
1．B [合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。]
2．C
3．D [分离出NH3，使平衡向正反应方向移动，故v正>v逆，A项不正确；此状态下应是Q4．A [假设平衡时混合气体的物质的量为100 mol，则NH3占到25 mol，由反应方程式的差值关系得到反应中气体减少了25 mol，则原气体为125 mol。]
5．C
6．(1)常压、450℃、催化剂
(2)在此温度下催化剂的活性最高
(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失
(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率
(5)防止污染环境
解析 解答本题注意以下两点：①抓住本反应的反应特点。②把外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响和实际情况有机结合起来。
从提高反应速率考虑，合成SO3需要加入催化剂和升温，加压；从增大反应物的转化率方面考虑，合成SO3需低温，加压，通入廉价空气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜条件。
7．(1)放热 92 (2)b 降低了合成氨反应的活化能
(3)C
解析 (1)由图中能量状态可知N2与3H2具有的总能量高于2NH3所具有的能量，故该反应为放热反应，且反应N2＋3H22NH3每生成2 mol NH3放出(600－508)kJ＝92 kJ热量。
(2)合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。
8．(1)A点、B点 (2)放 (3)AC曲线是增函数曲线，温度升高，反应速率加快，生成NH3的质量分数增多；CE曲线是减函数曲线，此反应的正反应是放热反应，达到平衡后，温度升高，平衡向逆反应方向移动，NH3的质量分数降低
解析 (1)从图象中看出C点时，NH3的质量分数最高，说明A、B两点均未达到平衡；
(2)达到平衡(C点)后，升高温度，NH3的质量分数降低，说明此反应的正反应放热。
