【学霸笔记：同步精讲】第2章 第4节 第1课时 化学反应条件的优化——工业合成氨(基础课) 课件--2026版高中化学鲁科版选必修1

(共60张PPT)
复习任务群一
现代文阅读Ⅰ
把握共性之“新”　打通应考之“脉”
第2章　化学反应的方向、限度与速率
第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨
第1课时　化学反应条件的优化——工业合成氨(基础课)
学习 任务 1．结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。
2．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
旧知 回顾 1．勒·夏特列原理
(1)含义：如果改变平衡体系的一个条件(如温度、浓度或压强)，平衡将向减弱这个改变的方向移动。
(2)注意：①勒·夏特列原理的适用对象是可逆过程。②化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变，而不是“抵消”外界条件的改变。
2．K的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度，不能预测反应达到平衡所需要的时间。当平衡常数数值大于105时，可以认为反应进行完全。
必备知识　自主预习
一、合成氨反应的限度
1．反应原理
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol-1，ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1。
2．反应特点
减小
<
<
<
能
3．影响因素
(1)外界条件：____温度、____压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
(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含量最高。
降低
增大
1∶3
练一练　已知298 K时，N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝，ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1，请通过计算说明298 K时合成氨反应能否正向自发进行？
[答案]　ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.2×103 J·mol-1－298 K×(－198.2 J·mol-1·K-1)＝＝
－33 136.4 J·mol-1＜ 0，即298 K时合成氨反应能正向自发进行。
升高
增大
增大
催化剂
二、合成氨反应的速率
1．提高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与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：合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。
判一判　(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。 (　　)
(2)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。 (　　)
(3)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。 (　　)
×
√
√
三、合成氨生产的适宜条件
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投料比为__________
3 压强 2×107～3×107 Pa
4 催化剂 选择__做催化剂
5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2
700 K
1∶2.8
铁
3．合成氨生产流程的三阶段
判一判　(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低。 (　　)
(2)合成氨厂采用的压强是2×107～3×107 Pa，因为在该压强下铁催化剂的活性最大。 (　　)
×
×
关键能力　情境探究
数据分析：外界条件对合成氨反应的影响
工业生产中选择适宜生产条件的原则
温度 /℃ 氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
温度 /℃ 氨的含量/%
0.1 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100
MPa
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
1．压强一定时，升高温度，对氨的合成有何影响？
提示：压强一定，升高温度，氨的含量减小；反应速率增大。
2．温度一定时，增大压强，对氨的合成有何影响？
提示：温度一定，增大压强，氨的含量增大；反应速率增大。
3．已知：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol-1，K＝6.6×105(mol·L-1)-2，思考：
(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？
(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。
提示：(1)为了增大化学反应速率，提高单位时间内NH3的产量。
(2)在此温度时，催化剂的活性最大。
1．工业生产中选择适宜生产条件的原则：根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
2．工业生产中选择适宜生产条件的具体分析
外界 条件 有利于加快反应速率的条件控制 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、减小反应产物的浓度 不断地补充反应物，及时地分离出反应产物
催化剂 加合适的催化剂 — 加合适的催化剂
外界 条件 有利于加快反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
温度 高温 ΔH＜ 0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度
ΔH＞ 0 高温 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
外界 条件 有利于加快反应速率的条件控制 有利于平衡正向 移动的条件控制 综合分析结果
压强 高压(有气体参加) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强
1．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
√
2．在一定条件下，对于在密闭容器中进行的合成氨的反应，下列说法错误的是(　　)
A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)约为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大
B．增加催化剂的接触面积，能提高合成氨工厂的年产量
C．反应达到平衡时，氢气和氨的浓度比一定为3∶2
D．分别用氮气和氢气来表示合成氨反应的反应速率时，数值大小不相同
√
C　[反应达到平衡时，氢气和氨的浓度比不一定为3∶2，C错误。]
[教材　化学与技术]
合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。
(1)化学家证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的过程，示意图如下：
下列说法正确的是________(填字母)。
a．①表示N2、H2分子中均是单键
b．该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的形成
c．③→④需要吸收能量
d．②→③需要吸收能量
bd
(2)已知N2(g)＋O2(g) 2NO(g)　K(298 K)＝5×10-31；N2(g)＋3H2(g)
2NH3(g)　K(298 K)＝4.1×106 mol-2·L2，请分析工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气与氧气反应固氮的原因是________
________________________________________________________________________________________________________________________。
在298 K时，氮气与氢气反应的化学平衡常数的数值远远大于氮气与氧气反应的化学平衡常数的数值，氮气与氢气反应正向进行的程度大
(3)对于反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。
温度/℃ 压强/MPa 氨的平衡含量
200 10 81.5%
550 10 8.25%
哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是____________________________________________________
________(提示：温度会影响催化剂的活性)。
在该条件下催化剂的活性最高，可以提高合成氨的化学反应速率
知识必备
工业生产中选择适宜生产条件的分析思路
(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。
(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。
(3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。
学习效果　随堂评估
√
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施的下列措施与平衡移动无关的是(　　)
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．采用700 K左右的高温而不是900 K的高温
D．采用2×107～5×107 Pa的压强
B　[使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。]
√
2．已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为＋H2O、
＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是(　　)
A．增大通入尾气的速率
B．用石灰水替代石灰乳
C．适当补充O2
D．使用合适的催化剂
√
3．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．c点处反应达到平衡
B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，
n(H2)比图中的d点的值要大
D．a点的正反应速率比b点的小
C　[c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故 c点没有达到平衡，A项错误；t1和 t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故 d、 e两点氮气的物质的量相等，B项错误； 773 K>673 K，合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点反应物浓度，因此 a点的正反应速率比b点的大，D项错误。]
4．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol-1，在反应过程中，正反应速率的变化如图。下列说法正确的是(　　)
A．t1时升高了温度　
B．t2时使用了催化剂
C．t3时增大了压强　　
D．t4时降低了温度
√
B　[t1时正反应速率增大，随后逐渐减小，说明正反应速率大于逆反应速率，平衡正向移动，若为升高温度，则平衡逆向移动，A项错误；t2时，平衡不移动，说明正、逆反应速率同等程度增大，应使用了催化剂，B项正确；t3时正反应速率减小，随后逐渐增大，说明逆反应速率大于正反应速率，平衡逆向移动，为减小压强，C项错误；t4时正反应速率瞬间不变，然后减小，应为减小反应产物浓度，D项错误。]
5．(素养题)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)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是________________________________。
(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是_______
________________________________________________________。
(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是__________________
___________________________________________________________________________________________________________________。
常压、450 ℃、催化剂
在此温
度下催化剂的活性最高
在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能正向移动，但效果并不明显，且对设备要求高
(4)在生产中，通入过量空气的目的是__________________________
________________________________________________________。
(5)尾气中有SO2必须回收的目的是___________________________。
增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率
防止污染环境
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
1．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(　　)
数智分层作业(十六)　化学反应条件的优化——工业合成氨
(选择题每小题只有一个选项符合题目要求，选择题每小题3分，本试卷共35分)
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N2和H2　⑥恒温恒压，再充入N2　⑦使用催化剂
A．②④⑤⑦　　　　　 B．②③④⑤⑦
C．②⑤　　 D．②③⑤
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
√
2．合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　)
①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度
A．①②③　　 B．④⑤
C．①⑤　　 D．⑤
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C　[增大压强，平衡不移动；增大 CO浓度，平衡正向移动，但 CO转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO转化率不变；降低温度或增大水蒸气浓度，平衡均正向移动，CO转化率增大。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
3．合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(　　)
A．提高分离技术
B．研制耐高压的合成塔
C．研制低温催化剂
D．探索不用N2和H2合成氨的新途径
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C　[由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
4．某化学家在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是(　　)
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．增大压强既可以增大反应速率，又可以提高原料转化率
B．升高温度既可以增大反应速率，又可以提高平衡转化率
C．冷却过程中采用热交换有助于节约能源
D．原料循环使用可提高其利用率
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
B　[增大压强可以增大合成氨的反应速率，平衡正向移动，可以提高原料转化率，A正确；合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，降低平衡转化率，B错误；冷却过程中采用热交换有助于节约能源，C正确；原料循环使用，可提高其利用率，D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
5．1913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。下列所示是哈伯法的流程图，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
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
B　[②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡正向移动，提高原料转化率。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
6．在一定条件下探究CH3OCH3的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)
CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是(　　)
A．该反应的ΔH<0
B．该反应伴随着副反应的发生
C．工业上选择的较适宜温度为280～290 ℃
D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的平衡产率
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
D　[由题图知，温度高于290 ℃时，随温度升高，CO的转化率、CH3OCH3的产率均降低，说明升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH＜0，A项正确；从题图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；由题图可知，温度为280～
290 ℃时，CH3OCH3的产率较高，C项正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
7．已知合成氨反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，当反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在不同温度下，反应达到平衡时，得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如图所示。下列说法不正确的是(　　)
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．曲线a对应的反应温度最低
B．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)＝K(Q)>K(N)
C．相同压强下，投料相同，达到平衡所需时间关系为tc>tb>ta
D．N点时c(NH3)＝0.2 mol·L-1，则N点的c(N2)∶c(NH3)＝1∶1
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C　[ΔH<0，升高温度平衡逆向移动，氨的含量减小，而相同压强下曲线a对应NH3的体积分数最大，所以曲线a对应的反应温度最低，A项正确；K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，所以K(M)＝K(Q)，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，M点的温度低于N，所以K(M)>K(N)，B项正确；相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越大，达到平衡时的时间越短，曲线c、b、a表示的温度依次降低，所以达到平衡消耗的时间：ta>tb>tc，C项错误；N点时氨的物质的量分数为20%，设N2的平衡转化率是b，N2的起始浓度为a，列三段式：
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
　　　　　N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
起始　　　a　　 3a　　　 0
转化　　　ab　　 3ab　　　2ab
平衡　　　a－ab　3a－3ab　2ab
根据题意有＝20%，2ab＝，所以a＝0.3 mol·L-1，b＝，则N点的c(N2)∶c(NH3)＝(0.3 mol·L-1－0.3 mol·L-1×)∶0.2 mol·L-1＝1∶1，D项正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
8．(14分)甲醇是一种重要的试剂，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，在密闭容器中充入3 mol氢气和1 mol二氧化碳，测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图1所示：
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
试回答下列问题：
(1)该反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。该反应平衡常
数的表达式是______________________，为了降低合成甲醇的成本
可采用的措施是________________(任意写一条合理的建议)。(5分)
(2)解释O～T0内，甲醇的体积分数变化趋势：___________________
___________________________________________________。(3分)
放热
K＝
增加CO2的充入量
温度低于T0时，反应未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
(3)氢气在Q点的转化率________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氢气在W点的转化率；其他条件相同，甲醇在Q点的正反应速率________甲醇在M点的正反应速率。(2分)
小于
小于
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
(4)图2表示氢气转化率α(H2)与投料比的关系，请在图2中画出两条变化曲线并标出曲线对应的条件，两条曲线对应的条件分别为一条曲线对应的压强是1.01×105 Pa；另一条曲线对应的压强是3.03×105 Pa(其他条件相同)。(4分)
[答案]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
谢 谢！