考点1 工业合成氨的生产条件的选择
一、合成氨反应的原理分析
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝
－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
(2)可逆性：反应为可逆反应。
(3)体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。
(4)焓变：ΔH<0，是放热反应。
2．原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 增大压强 增大压强
温度 升高温度 降低温度
催化剂 使用 无影响
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度
3.数据分析
根据课本表2－2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。
二、工业合成氨的适宜条件
1．问题讨论
(1)压强
①原理分析：压强越大越好。
②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
(2)温度
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。
②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。
另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
(4)浓度
①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。
②采取的措施：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。
2．工业合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 10～30 MPa
温度 400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒作催化剂
浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2
3.合成氨的工艺流程
4．选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。
(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
(3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。
(4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
一、投料比、转化率相关图像
1．在保持体系总压为105 Pa的条件下进行反应：SO2＋O2SO3，原料气中SO2和O2的物质的量之比m[m＝]不同时，SO2的平衡转化率与温度(t)的关系如图所示：
(1)图中m1、m2、m3的大小顺序为________。反应的化学平衡常数Kp表达式为________(用平衡分压代替平衡浓度表示)。
(2)图中A点原料气的成分：n(SO2)＝10 mol，n(O2)＝24.4 mol，n(N2)＝70 mol，达平衡时SO2的分压p(SO2)为________ Pa(分压＝总压×物质的量分数)。
答案 (1)m1>m2>m3 Kp＝
(2)1 200
解析 (1)在同温同压下，增加二氧化硫的量，会使原料气中SO2和O2的物质的量之比m变大，m越大，平衡转化率α(SO2)越小。
(2)A点二氧化硫的平衡转化率为88%，可进行如下计算：
SO2(g) ＋O2(g) ?? SO3(g)
起始/mol 10 24.4 0
变化/mol 10×88% ×10×88% 10×88%
平衡/mol 10×12% 24.4－5×88% 10×88%
平衡时，混合气体总量为10×12%＋(24.4－5×88%)＋10×88%＋70＝100 mol。达平衡时SO2的分压p(SO2)＝×105＝1 200 Pa。
2．采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu—Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应：2CO(g)＋4H2(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反应：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)
CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中约为________时最有利于二甲醚的合成。
答案 2.0
解析 由图可知当催化剂中约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。
二、选择最佳反应条件
3．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是_____________________；氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是___________________________。
答案 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃
在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
三、解释曲线发生某种变化的原因
4．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag－ZSW－5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如下图所示。
(1)在＝1条件下，最佳温度应控制在______左右。
(2)若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为__________。
(3)用平衡移动原理解释为什么加入CO后NO转化为N2的转化率增大：____________。
答案 (1)870 K(860～880 K范围内都可以)
(2)该反应放热，升高温度，反应向逆反应方向进行
(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应，促进NO分解平衡向生成N2的方向移动，导致NO的转化率增大
5．下图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为________、相应温度为________；使用Mn作催化剂时，脱氮率b～a段呈现如图变化的可能原因是__________________________________________________。
答案 Mn 200 ℃左右 b～a段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡，随着温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐增大考点1 工业合成氨的生产条件的选择
一、合成氨反应的原理分析
1．合成氨反应的特点
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝
－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
(2)可逆性：反应为可逆反应。
(3)体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。
(4)焓变：ΔH<0，是放热反应。
2．原理分析
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 增大压强 增大压强
温度 升高温度 降低温度
催化剂 使用 无影响
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度
3.数据分析
根据课本表2－2在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。实验数据的分析与理论分析的结论是一致的。
二、工业合成氨的适宜条件
1．问题讨论
(1)压强
①原理分析：压强越大越好。
②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。
(2)温度
①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。
②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。
(3)催化剂
①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。
②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。
另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。
(4)浓度
①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低。
②采取的措施：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。
③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向生成NH3的方向移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应。
2．工业合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 10～30 MPa
温度 400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒作催化剂
浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2
3.合成氨的工艺流程
4．选择工业合成适宜条件的原则
(1)考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素。
(2)考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。
(3)选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况。
(4)选择适宜的生产条件还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。
一、投料比、转化率相关图像
1．在保持体系总压为105 Pa的条件下进行反应：SO2＋O2SO3，原料气中SO2和O2的物质的量之比m[m＝]不同时，SO2的平衡转化率与温度(t)的关系如图所示：
(1)图中m1、m2、m3的大小顺序为________。反应的化学平衡常数Kp表达式为________(用平衡分压代替平衡浓度表示)。
(2)图中A点原料气的成分：n(SO2)＝10 mol，n(O2)＝24.4 mol，n(N2)＝70 mol，达平衡时SO2的分压p(SO2)为________ Pa(分压＝总压×物质的量分数)。
2．采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu—Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应：2CO(g)＋4H2(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反应：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)
CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中约为________时最有利于二甲醚的合成。
二、选择最佳反应条件
3．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是_____________________；氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是___________________________。
三、解释曲线发生某种变化的原因
4．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag－ZSW－5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如下图所示。
(1)在＝1条件下，最佳温度应控制在______左右。
(2)若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为__________。
(3)用平衡移动原理解释为什么加入CO后NO转化为N2的转化率增大：____________。
5．下图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为________、相应温度为________；使用Mn作催化剂时，脱氮率b～a段呈现如图变化的可能原因是__________________________________________________。
