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第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
学业基础
核心素养
当堂评价
核心微网络
素养新目标
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．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。
学业基础
一、合成氨反应的限度
1．反应原理
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
在298 K时：
ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
2．反应特点
可逆
减小
＜
＜
＜
能
3．影响因素
(1)反应条件：________温度、________压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。
(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为________时平衡混合物中氨的百分含量最高。
降低
增大
1∶3
状元随笔 合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未转化的N2、H2循环使用的措施。
二、合成氨反应的速率
1．增大合成氨反应速率的方法
2．浓度与合成氨反应速率之间的关系
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)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，________NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
升高
增大
增大
催化剂
增大
减小
状元随笔 温度升高，k值增加，加快反应速率；同时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。
三、合成氨反应的适宜条件
1．合成氨反应适宜条件分析
工业生产中，必须从________和________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的________，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
反应速率
反应限度
转化率
产量
2．合成氨的适宜条件
序号 影响因素 选择条件
1 温度 反应温度控制在________左右
2 物质的量 N2、H2投料比________
3 压强 1×107～1×108 Pa
4 催化剂 选择________作催化剂
700 K
1∶2.8
铁
状元随笔 合成氨反应条件的选择原则
1．尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。
2．选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。
3．考虑设备和技术条件。
【即学即练】
1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。( )
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。( )
(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( )
解析：合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温时小于0。
解析：合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。
解析：合成氨正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动。
×
×
√
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( )
(5)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )
(6)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )
(7)加入催化剂，对合成氨的正逆反应的反应速率影响程度相同( )
解析：催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。
解析：合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大。
解析：合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大。
解析：加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同。
×
×
√
√
2．合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明( )
A．表中所测数据有明显误差
B．生产条件控制不当
C．氨的分解速率大于预测值
D．合成塔中的反应并未达到平衡
20 MPa 60 MPa
500 ℃ 19.1 42.2
答案：D
解析：表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。
3．(双选)硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进
行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O2 2SO3的说法中正确的是( )
A．实际生产中，SO2和O2再循环使用体现绿色化学
B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零
C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
答案：AD
解析：反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，因此SO2、O2循环使用可避免污染，提高利用率，体现了绿色化学，A正确；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。
4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH＜0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是( )
A．高温、高压
B．适宜温度、高压、催化剂
C．低温、低压
D．高温、高压、催化剂
答案：B
解析：该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
5．(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( )
A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率
B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨
C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响
D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大
答案：CD
解析：温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。
6．工业上有一种用CO2生产甲醇燃料的方法：
CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
ΔH＝－49.0 kJ·mol－1
某实验中将6 mol CO2和8 mol H2充入2 L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图曲线(甲)所示。请完成下列问题：
(1)a点正反应速率________逆反应速率
(填“＞”“＜”或“＝”)。
(2)若仅改变某一实验条件再进行一次实
验，测得H2的物质的量随时间变化如图
中虚线(乙)所示，虚线(乙)对应改变的实
验条件可以是________(填序号)。
a．加催化剂 b．增大压强
c．升高温度 d．增大CO2浓度
＞
bd
解析：(1)a点时，H2量减小，反应向正反应方向进行，v正＞v逆。
(2)由图像知虚线(乙)中H2的反应速率变大，结合化学方程式可知，增大压强或增大CO2浓度均可以加快H2的消耗速率，且达到平衡时H2的物质的量小于甲；使用催化剂尽管可以增大反应速率，但平衡状态应与甲相同；升高温度可增大反应速率，但平衡时H2的量应多于甲，故b、d项符合题意。
核心素养
目标 工业合成氨适宜条件的选择
例 在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( )
①增大容器体积使压强减小
②减小容器体积使压强增大
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使用催化剂
A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤ D．①②③⑤⑧
答案：C
解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡正向移动，使氨的产率增大，③使化学平衡逆向移动，⑧不影响化学平衡。
状元随笔 工业生产中选择适宜生产条件的思路：
对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件的基本思路如下：
(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。
(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。
(3)从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。
反应 条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂
温度 高温 ΔH＞0 高温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＜0 低温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) ΔV(g)＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
ΔV(g)＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
[提升] 下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下，充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
答案：D
解析：A错，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成。
B错，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响。
C错、D对，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS＜0，在常温条件下该反应能自发进行。
状元随笔 (1)合成氨生产的要求。
合成氨工业要求：①反应要有较快的反应速率。②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。
(2)合成氨生产条件的选择依据。
①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。
②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。
【关键能力】
选择合成氨生产条件的理论分析
外界因素 理论分析
压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压
温度 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)
催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂
浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去
其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用
当堂评价
1．(双选)工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是( )
A．适当提高氨的合成速率
B．提高H2的转化率
C．提高氨的产率
D．催化剂在700 K时活性最大
答案：AD
2．可逆反应3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )
A．升高温度，减小压强，增加氮气
B．降低温度，增大压强，加入催化剂
C．升高温度，增大压强，增加氮气
D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
答案：D
3．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
答案：B
4．在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为( )
A．15 mol和25% B．20 mol和50%
C．20 mol和75% D．40 mol和50%
答案：C
解析：以N2、H2为起始时，N2为10 mol，H2为30 mol，要以NH3开始反应，并且平衡时百分含量与前者相同，取NH3的量必须是20 mol。设以NH3开始反应时，氨转化的物质的量为x，那么有20 mol－x＝2×10 mol×25%，x＝15 mol，氨的转化率：×100%＝75%。
5.(双选)某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．将1 mol氮气、3 mol氢气，置于1 L密闭容器
中发生反应，放出的热量为92.2 kJ
B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)＝K(B)
C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化
率增大
D．升高温度，平衡常数K增大
答案：BC
解析：该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.2 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项正确；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动、H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。
6．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见表(光照、N2压强1.0×105Pa、反应时间3 h)：
相应的热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝765.2 kJ·mol－1
回答下列问题：
(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：__________________________________。
T/K 303 313 323 353
NH3生成量/×10－6mol 4.8 5.9 6.0 2.0
升高温度、增大N2浓度、不断移出生成物
(2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算：
①该条件下N2的平衡转化率________。
②该条件下反应2NH3(g) N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为_____________。
③根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是________(填字母)。
a．研制耐高压的合成塔
b．采用超大规模的工业生产
c．研制耐低温复合催化剂
d．探索不用H2和N2合成氨的新途径
66.7%
5.0×10－3mol2·L－2
c
解析：(2)①设反应过程消耗x mol N2(g)。
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
0.60 1.60 0
0.60－x 1.60－3x 2x
平衡时反应体系总物质的量＝[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x]mol＝(2.20－2x)mol，
NH3(g)的物质的量分数为＝解得，x＝0.40，N2的平衡转化率为×100%≈66.7%。
②设此时反应2NH3(g) N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，c平(NH3)＝mol·L－1＝0.40 mol·L－1，c平(N2)＝mol·L－1＝0.10 mol·L－1，c平(H2)＝mol·L－1＝0.20 mol·L－1，K＝＝5.0×10－3mol2·L－2。
练后反思
在为工业生产选择适宜条件时，一般要从化学平衡和化学反应速率、主反应和副反应等多个方面综合分析，并依据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。在分析过程中还要注意实际生产的成本、工艺、安全性等因素。第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
核心微网络
素养新目标
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．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。
学业基础——自学·思记·尝试
一、合成氨反应的限度
1．反应原理
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
在298 K时：
ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
2．反应特点
3．影响因素
(1)反应条件：________温度、________压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。
(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为________时平衡混合物中氨的百分含量最高。
状元随笔 合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未转化的N2、H2循环使用的措施。
二、合成氨反应的速率
1．增大合成氨反应速率的方法
2．浓度与合成氨反应速率之间的关系
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)c1.5(H2)c－1(NH3)，由速率方程可知：________N2或H2的浓度，________NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
状元随笔 温度升高，k值增加，加快反应速率；同时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。
三、合成氨反应的适宜条件
1．合成氨反应适宜条件分析
工业生产中，必须从________和________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的________，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
2．合成氨的适宜条件
序号 影响因素 选择条件
1 温度 反应温度控制在________左右
2 物质的量 N2、H2投料比________
3 压强 1×107～1×108 Pa
4 催化剂 选择________作催化剂
状元随笔 合成氨反应条件的选择原则
1．尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。
2．选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。
3．考虑设备和技术条件。
【即学即练】
1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)合成氨反应在高温下能自发进行。( )
(2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。( )
(3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( )
(4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( )
(5)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )
(6)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大( )
(7)加入催化剂，对合成氨的正逆反应的反应速率影响程度相同( )
2．合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如表所示：
20 MPa 60 MPa
500 ℃ 19.1 42.2
而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明( )
A．表中所测数据有明显误差
B．生产条件控制不当
C．氨的分解速率大于预测值
D．合成塔中的反应并未达到平衡
3．(双选)硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2＋O22SO3的说法中正确的是( )
A．实际生产中，SO2和O2再循环使用体现绿色化学
B．该反应达到平衡后，反应就完全停止了，即正、逆反应速率均为零
C．在达到平衡的体系中，充入由18O组成的O2后，SO2中18O含量减少，SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时，要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
4．有平衡体系：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH＜0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采取的正确措施是( )
A．高温、高压
B．适宜温度、高压、催化剂
C．低温、低压
D．高温、高压、催化剂
5．(双选)下列有关工业合成氨的叙述中正确的是( )
A．温度升高，不利于提高合成氨的反应速率
B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨
C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响
D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气化合速率明显增大
6．工业上有一种用CO2生产甲醇燃料的方法：
CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
ΔH＝－49.0 kJ·mol－1
某实验中将6 mol CO2和8 mol H2充入2 L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图曲线(甲)所示。请完成下列问题：
(1)a点正反应速率________逆反应速率(填“＞”“＜”或“＝”)。
(2)若仅改变某一实验条件再进行一次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线(乙)所示，虚线(乙)对应改变的实验条件可以是________(填序号)。
a．加催化剂 b．增大压强
c．升高温度 d．增大CO2浓度
核心素养——合作·探究·分享
目标 工业合成氨适宜条件的选择
例 在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有( )
①增大容器体积使压强减小
②减小容器体积使压强增大
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使用催化剂
A．②④⑤⑥⑦ B．②③④⑤⑦⑧
C．②⑤ D．①②③⑤⑧
状元随笔 工业生产中选择适宜生产条件的思路：
对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件的基本思路如下：
(1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。
(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。
(3)从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。
反应 条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂
温度 高温 ΔH＞0 高温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＜0 低温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) ΔV(g)＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
ΔV(g)＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
[提升] 下列有关合成氨工业的说法正确的是( )
A．N2的量越多，H2的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成
B．恒容条件下，充入稀有气体有利于NH3的合成
C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行
D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行
状元随笔 (1)合成氨生产的要求。
合成氨工业要求：①反应要有较快的反应速率。②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。
(2)合成氨生产条件的选择依据。
①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。
②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。
【关键能力】
选择合成氨生产条件的理论分析
外界因素 理论分析
压强 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型，一般采用高压
温度 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)
催化剂 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂
浓度 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，并且及时将氨气从反应混合物中分离出去
其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用
当堂评价——夯实·测控·演练
1．(双选)工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是( )
A．适当提高氨的合成速率
B．提高H2的转化率
C．提高氨的产率
D．催化剂在700 K时活性最大
2．可逆反应3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g) ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是( )
A．升高温度，减小压强，增加氮气
B．降低温度，增大压强，加入催化剂
C．升高温度，增大压强，增加氮气
D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
3．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是( )
A．①②③ B．②④⑤
C．①③⑤ D．②③④
4．在密闭容器内，N2、H2起始的物质的量分别为10 mol、30 mol，达到平衡时N2的转化率为25%。若从NH3开始，在相同条件下欲使平衡时各成分的百分含量与前者相同，则应加入NH3的物质的量及NH3的转化率为( )
A．15 mol和25% B．20 mol和50%
C．20 mol和75% D．40 mol和50%
5.(双选)某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．将1 mol氮气、3 mol氢气，置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.2 kJ
B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)＝K(B)
C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大
D．升高温度，平衡常数K增大
6．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见表(光照、N2压强1.0×105Pa、反应时间3 h)：
T/K 303 313 323 353
NH3生成量/×10－6mol 4.8 5.9 6.0 2.0
相应的热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2O(l) 2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝765.2 kJ·mol－1
回答下列问题：
(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算：
①该条件下N2的平衡转化率________。
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为________。
③根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是________(填字母)。
a．研制耐高压的合成塔
b．采用超大规模的工业生产
c．研制耐低温复合催化剂
d．探索不用H2和N2合成氨的新途径
练后反思
在为工业生产选择适宜条件时，一般要从化学平衡和化学反应速率、主反应和副反应等多个方面综合分析，并依据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。在分析过程中还要注意实际生产的成本、工艺、安全性等因素。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
学 业 基 础
一、
2．可逆 减小 ＜ ＜ ＜ 能
3．(1)降低 增大 (2)1∶3
二、
1．升高 增大 增大 催化剂
2．增大 减小
三、
1．反应速率 反应限度 转化率 产量
2．700 K 1∶2.8 铁
【即学即练】
1．解析：(1)合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温时小于0。
(2)合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。
(3)合成氨正反应是一个气体分子数减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动。
(4)催化剂同倍数加快正、逆反应速率，对转化率无影响。
(5)合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，对逆反应速率影响更大。
(6)合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大。
(7)加入催化剂，对正、逆反应的反应速率的影响相同。
答案：(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√
2．解析：表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。
答案：D
3．解析：反应为可逆反应，SO2和O2不能全部转化为SO3，因此SO2、O2循环使用可避免污染，提高利用率，体现了绿色化学，A正确；达到平衡后反应不停止，正、逆反应速率相等，B错；达到平衡后充入由18O组成的O2，平衡向正反应方向移动，SO3中18O含量增多，因为反应可逆，SO2中18O含量也增多，C错；D正确。
答案：AD
4．解析：该反应是一个正向放热，气体体积减小的反应，为增加甲醇的产量，需平衡正向移动，理论上可采用低温、高压的方式，但在实际生产中还需考虑反应速率，设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
答案：B
5．解析：温度升高，化学反应速率增大，A错误。从提高反应速率的角度来说，合成氨是温度越高越好，但温度越高氮的转化率越低，综合反应速率、化学平衡和催化剂的活性三方面考虑，因此选择温度为700 K左右。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小生成物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断地向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，D正确。
答案：CD
6．解析：(1)a点时，H2量减小，反应向正反应方向进行，v正＞v逆。
(2)由图像知虚线(乙)中H2的反应速率变大，结合化学方程式可知，增大压强或增大CO2浓度均可以加快H2的消耗速率，且达到平衡时H2的物质的量小于甲；使用催化剂尽管可以增大反应速率，但平衡状态应与甲相同；升高温度可增大反应速率，但平衡时H2的量应多于甲，故b、d项符合题意。
答案：(1)＞ (2)bd
核 心 素 养
[例] 解析：从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡正向移动，使氨的产率增大，③使化学平衡逆向移动，⑧不影响化学平衡。
答案：C
[提升] 解析：A错，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成。
B错，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响。
C错、D对，ΔH－TΔS＜0时反应自发进行，而合成氨反应的ΔH<0、ΔS＜0，在常温条件下该反应能自发进行。
答案：D
当 堂 评 价
1．答案：AD
2．答案：D
3．答案：B
4．解析：以N2、H2为起始时，N2为10 mol，H2为30 mol，要以NH3开始反应，并且平衡时百分含量与前者相同，取NH3的量必须是20 mol。设以NH3开始反应时，氨转化的物质的量为x，那么有20 mol－x＝2×10 mol×25%，x＝15 mol，氨的转化率：×100%＝75%。
答案：C
5．解析：该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.2 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项正确；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动、H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。
答案：BC
6．解析：(2)①设反应过程消耗x mol N2(g)。
N2(g)＋ 3H2(g)2NH3(g)
0.60 1.60 0
0.60－x 1.60－3x 2x
平衡时反应体系总物质的量＝[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x]mol＝(2.20－2x)mol，
NH3(g)的物质的量分数为＝解得，x＝0.40，N2的平衡转化率为×100%≈66.7%。
②设此时反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K。平衡时，c平(NH3)＝mol·L－1＝0.40 mol·L－1，c平(N2)＝mol·L－1＝0.10 mol·L－1，c平(H2)＝mol·L－1＝0.20 mol·L－1，K＝＝5.0×10－3mol2·L－2。
答案：(1)升高温度、增大N2浓度、不断移出生成物
(2)①66.7% ②5.0×10－3mol2·L－2 ③c
