第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
1.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％
2.一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为1∶3的N2和H2。开始时两容器的容积相同，则达到平衡时两容器中N2的转化率（ ）
A.a中大 B.b中大
C.a、b中一样大 D.无法判断
3.工业上用N2和H2合成NH3，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是（ ）
A.消耗0.1 mol H2时，生成N—H数目为0.2 NA
B.合成氨反应温度一般选择400～500 ℃，因为该反应为吸热反应
C.0.4 mol N2所含电子的数目为4NA
D.氧化22.4 L NH3生成NO，消耗O2分子数为2NA
4.合成氨所需的氢气可用煤和水作为原料经多步反应制得，其中的一步反应为
CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g） ΔH＜0反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是（ ）
A.增加压强 B.降低温度
C.增大CO的浓度 D.更换催化剂
5.N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＜0，向容器中通入1 mol N2和3 mol H2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是（ ）
①降低温度
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A.①④ B.①②
C.②③ D.③④
6.合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如图所示。
下列关于合成氨工业的说法中不正确的是（ ）
A.将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B.合成氨反应需在低温下进行
C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D.使用催化剂可以提高反应速率，提高单位时间内氨气的产量
7.（2025·广州高二期末）H2与N2在固体催化剂表面合成NH3的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表1 mol该分子或原子，已知N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＝－92 kJ·mol－1。下列说法正确的是（ ）
、、分别代表N2、H2和NH3
A.该反应在高温下可自发进行
B.实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率
C.实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率
D.1 mol N2和3 mol H2断键生成2 mol N和6 mol H吸收的能量为｜ΔH1＋ΔH2｜
8.（2025·湖南长沙高二检测）在一定条件和催化剂作用下，二氧化碳加氢可以合成二甲醚（CH3OCH3），发生反应Ⅰ：2CO2（g）＋6H2（g）CH3OCH3（g）＋3H2O（g） ΔH1＜0，在同一条件下还可能发生副反应Ⅱ：CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g） ΔH2＞0。下列说法正确的是（ ）
A.实际生产中温度常常控制在500 ℃左右，这是因为在高温下生成二甲醚的选择性较高
B.增大压强有助于生成更多二甲醚，故生产中使用的压强越大越好
C.在任何温度下反应Ⅰ都能自发进行
D.及时将二甲醚从体系中分离出来有助于提高二甲醚的平衡产率
9.合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
据此回答以下问题：
（1）①该反应的化学平衡常数表达式为 。
②根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡常数越 。
（2）某温度下，若把10 mol N2与30 mol H2置于容积为10 L的恒容密闭容器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，则该温度下反应的平衡常数K＝ （可用分数表示）。能说明该反应达到化学平衡状态的是 （填字母）。
a.容器内的密度保持不变
b.容器内压强保持不变
c.v正（N2）＝2v逆（NH3）
d.混合气体中c（NH3）不变
（3）对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是 （填字母）。
（4）相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1 mol N2和3 mol H2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中NH3的体积分数为a，放出热量Q1 kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量Q2 kJ。则：a （填“＞”“＝”或“＜”，下同）b，Q1 92.4。
10.工业合成氨是人类科技的一项重大突破，其反应为3H2（g）＋N2（g）2NH3（g） ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
（1）判断该反应的自发性并说明理由： 。
（2）工业合成氨流程示意图如图1：
①工业上通常在400～500 ℃下进行合成氨反应，用碰撞理论解释为什么不在常温下进行反应： 。
②干燥净化的目的是 ，装置 A的作用为 ，B处的物质主要是 （写出物质并注明状态）。
③工业上N2和H2混合气反应后经过图1中的过程再及时补充N2和H2进入合成塔反应，以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，循环过程中转化率随温度变化曲线如图2所示，图2所示进程中表示热交换过程的是 （填字母）。
A.a1→b1 B.b1→c1 C.c1→a2 D.a2→c1
E.c1→b2 F.b2→c2 G.c2→a3 H.a3→c2
（3）已知Arrhenius经验公式为Rln k＝－＋C（Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数），假设使用现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图所示，科学家研制出一种新型催化剂，合成氨条件降为350 ℃、1 MPa，在图中画出在使用该高效催化剂条件下Rln k与的关系图。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
1.C 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，则应加入的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％。
2.A 由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。
3.A 合成氨反应中，每消耗3 mol氢气生成2 mol氨气，2 mol氨气含6 mol N—H，所以消耗0.1 mol氢气可生成0.2NA N—H，A项正确；合成氨为放热反应，B项错误；每个N2分子中含14个电子，故0.4 mol N2含电子数为5.6NA，C项错误；没有给出温度和压强，22.4 L气体物质的量不确定，D项错误。
4.B A项，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO的转化率无影响； B项，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右移动，提高CO的转化率；C项，增大CO的浓度会降低CO的转化率；D项，更换催化剂不能使化学平衡发生移动。
5.B ①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2，相当于增大压强，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；③增加NH3的物质的量，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低；④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低。
6.B 混合气的循环利用可以提高原料的利用率，减少污染和浪费，符合绿色化学思想，A正确；低温有利于提高原料的转化率，但不利于提高反应速率也不利于催化剂发挥催化作用，故合成氨不采用低温条件，B错误；增大压强，平衡正向移动，提高了原料的转化率，C正确；催化剂能改变反应速率，单位时间内提高氨的产量，D正确。
7.C 该反应是熵减的放热反应，ΔH－TΔS＜0，低温条件下反应能自发进行，A错误；该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，生成物的产率降低，则实际生产采用高温是为了加快反应速率，B错误；反应未达平衡时，催化剂能加快反应速率，有利于提高反应物的转化率，C正确；由图可知，｜ΔH1＋ΔH2｜包含断键吸收的能量和吸附氢气和氮气的能量变化，所以1 mol氮气和3 mol氢气断键生成2 mol氮原子和6 mol氢原子吸收的能量小于｜ΔH1＋ΔH2｜，D错误。
8.D 反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，温度升高，反应Ⅰ平衡逆向移动，反应Ⅱ平衡正向移动，故高温下发生反应Ⅰ生成二甲醚的选择性较低，实际生产中温度常常控制在500 ℃左右可能是考虑催化剂活性，A错误；反应Ⅰ是气体分子数减小的反应，故增大压强有助于生成更多产物，但生产中还需考虑设备成本等问题，故压强并非越大越好，B错误；反应Ⅰ是放热、熵减的反应，即ΔH＜0，ΔS＜0，则吉布斯自由能ΔG＝ΔH－TΔS在高温下可能大于零，此时反应不能自发进行，C错误；及时将二甲醚从体系中分离减小了反应Ⅰ的生成物浓度，使反应Ⅰ平衡正向移动，提高了二甲醚的平衡产率，D正确。
9.（1）①K＝ ②小
（2）（mol·L－1）－2 bd （3）ac （4）＜ ＜
解析：（2）设转化的氮气的浓度为x mol·L－1，列三段式：
N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）
初始浓度/
（mol·L－1） 1 3 0
转化浓度/
（mol·L－1） x 3x 2x
平衡浓度/
（mol·L－1） 1－x 3－3x 2x
反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，即×100％＝20％，解得x＝，则K＝＝＝（mol·L－1）－2。容器容积不变，气体质量不变，所以容器内的密度始终保持不变，a错误；容器容积不变，反应前后气体物质的量不相等，所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，b正确；v正（N2）＝2v逆（NH3），正、逆反应速率不相等，说明反应未达到平衡状态，c错误；混合气体中c（NH3）不变，说明各组分浓度都不变，反应达到平衡状态，d正确。（3）先出现拐点的先达到平衡状态，则T2＞T1，温度升高，平衡逆向移动，NH3的体积分数减小，a正确；平衡时各物质浓度不一定相等，b错误；使用催化剂可加快反应速率，但对平衡无影响，平衡时物质的转化率不变，c正确。（4）相对于A来说，B相当于加压，平衡正向移动，氨气的体积分数变大，所以a＜b；合成氨反应为可逆反应，则A中1 mol N2和3 mol H2不能完全转化为2 mol NH3，Q1＜92.4。
10.（1）该反应在低温下能够自发进行；因ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温下小于0
（2）①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢
②除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低催化效率 增大压强 液态氨气 ③BDFH
（3）
解析：（1）该反应为放热的熵减反应，根据ΔH－TΔS＜0反应能够自发进行，则该反应在低温条件下能够自发进行。（2）①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢，400～500 ℃时活化分子比率较高，发生有效碰撞的几率较大，反应速率较快，故不在常温下进行反应；②干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低催化效率；反应为气体分子数减小的反应，增大压强利于反应正向进行且可以提高反应速率，故装置 A的作用为对反应物进行加压；B处的物质主要是分离出的液氨，使得生成物浓度减小，利于反应正向进行，提高原料的利用率；③反应混合气在热交换器中与原料气进行热交换，在此过程中反应混合物不与催化剂接触，反应速率大幅度减小，虽然温度降低但是转化率几乎不变；由于以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，故回收利用的原料气的温度升高，转化率也几乎不变；故图2所示进程中表示热交换过程的是b1→c1、a2→c1、b2→c2、a3→c2，选B、D、F、H。（3）已知Rln k＝－＋C（Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数），由图可知，曲线的斜率为 －Ea，使用该高效催化剂条件下活化能更小，反应速率更快，则Rln k与的关系图见答案。
3 / 3第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
学习目标
1.体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 2.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。针对典型案例，能从限度等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
知识点 合成氨生产的适宜条件的选择
1.合成氨反应的限度
（1）反应原理
已知在298 K时，N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）的ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
（2）反应特点
（3）有利于合成氨的条件
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。
2.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
由v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）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。
3.合成氨生产的适宜条件
（1）合成氨反应适宜条件分析
①选择合成氨生产条件时，既不能片面地追求高 ，也不应只追求高 ，而应该寻求比较高的反应速率获取适当转化率的反应条件。
②考虑原料的 、未转化的合成气（氮气和氢气）的 、 的综合利用等。
（2）合成氨的适宜条件
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（低压、中压和高压）
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
4.合成氨的生产流程的三阶段
【探究活动】
合成氨是化学科学对人类社会发展与进步作出巨大贡献的典例之一。已知合成氨反应：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） 298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol－1 ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。浓度与速率有如下关系：v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）。
交流讨论
1.根据已知条件分析，在298 K时该反应能否正向自发进行？
2.根据外界条件对化学平衡的影响规律，你认为采取哪些措施有利于氨的生成？
3.通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率？
【归纳总结】
1.根据合成氨反应的特点，从化学反应限度看，有利于氨生成的措施
（1）降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
（2）在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高。
2.根据合成氨反应的特点，从化学反应速率角度看，有利于氨生成的措施
增大反应物浓度、减小反应产物浓度、使用合适的催化剂、升高温度，都可增大合成氨反应的反应速率。
1.德国化学家哈伯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（ ）
A.增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率
B.升高温度既可以加快反应速率，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
2.下列有关合成氨工业的说法中，正确的是（ ）
A.从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15％，所以合成氨厂的产率都很低
B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在700 K左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
能力培养 工业生产中适宜生产条件的选择（归纳与论证）
在硫酸工业中，通过下列反应将SO2氧化成SO3：2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g） ΔH＝－198 kJ·mol－1。
已知催化剂是V2O5，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：
温度 转化率 压强 450 ℃ 550 ℃
1×105 Pa 97.5％ 85.6％
1×106 Pa 99.2％ 94.9％
5×106 Pa 99.6％ 97.7％
1×107 Pa 99.7％ 98.3％
（1）根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽快地转化为三氧化硫，从化学反应速率的角度考虑，应该选择什么样的条件？
（2）根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽量多地转化为三氧化硫，从化学反应限度的角度考虑，应该选择什么样的条件？
（3）根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么？
【规律方法】
工业生产中选择适宜生产条件的原则
1.从可逆性、反应前后气态物质化学计量数的大小关系、焓变三个角度分析化学反应的特点。
2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
外界 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
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
压强 高压（有气体参加） Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压
Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选择适宜的压强
【迁移应用】
1.化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法错误的是（ ）
A.硫酸工业中，在高温、高压、催化剂作用下，可提高生产效益
B.硫酸工业中，为提高SO2的转化率，可通入稍过量的空气
C.工业合成氨，考虑催化剂的活性，选择400～500 ℃的反应温度
D.工业合成氨，迅速冷却、液化氨气是为了使化学平衡向生成氨气的方向移动
2.合成氨工业中，原料气（N2、H2及少量CO、NH3的混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu（NH3）2]Ac＋CO＋NH3[Cu（NH3）3]Ac·CO ΔH＜0。（注：Ac－表示CH3COO－）
（1）必须除去原料气中CO的原因为 。
（2）醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液吸收CO的生产适宜条件应是 。
（3）吸收CO后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是 。
1.哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流程图，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
2.（2025·河南郑州高二联考）硫酸工业中SO2催化氧化生成SO3：2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g） ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。将一定量的SO2和O2混合气在催化剂作用下反应。不同条件下，反应达到平衡时SO2的转化率如表。下列有关说法正确的是（ ）
温度 /℃ 平衡时SO2的转化率/％
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A.正反应的活化能小于逆反应的活化能
B.其他条件相同，550 ℃一定比450 ℃时反应速率快
C.实际生产中，最适宜的条件是温度450 ℃、压强10 MPa
D.常温常压下，将0.5 mol O2和2 mol SO2混合充分反应，放出热量98.3 kJ
3.科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了合成氨的反应历程，如图所示。其中吸附在催化剂表面的物质用*表示，TS表示过渡态。下列说法正确的是（ ）
A.图示历程包含了9个基元反应
B.＋3H2＋6H*反应的ΔH＜0，说明H—H断裂放出热量
C.实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400～500 ℃，是为了提高氨气产率
D.原料气n（N2）∶n（H2）＝1∶3，平衡时，氨气的体积分数为20％，则氮气的转化率约为33.3％
4.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
5.工业上合成氨是在一定条件下进行反应：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，其部分工艺流程如图：
（1）下列有关合成氨工业的叙述，正确的是 （填字母）。
A.循环的气体是N2、H2、NH3
B.采用高温是为了保证尽可能高的平衡转化率与快的反应速率
C.及时分离出产品，有利于反应正向进行
D.当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
E.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
（2）在其他条件相同时，分别测定不同压强、不同温度下，N2的平衡转化率，结果如图。
T1 （填“＞”或“＜”）T2，判断的理由是 。
（3）温度为t ℃时，将4a mol H2和2a mol N2充入0.5 L密闭容器中，充分反应达到平衡后测得N2的转化率为50％，此时放出热量46.1 kJ。则该温度下N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）的平衡常数为 。
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在如图坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3的物质的量变化的曲线示意图。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
知识点
1.（2）可逆 减小 ＜ ＜ ＜ 能 （3）①降低 增大 ②1∶3 2.（1）升高 增大 增大 催化剂 （2）增大 减小 3.（1）①转化率 反应速率 ②价格 循环使用 反应热 （2）①700 K ②1∶2.8 ④铁 4.催化剂中毒
探究活动
1.提示：298 K时，ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×（－198.2×10－3 kJ·mol－1·K－1）≈－33.14 kJ·mol－1＜0，该反应正向能自发进行。
2.提示：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
3.提示：升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速率。在特定条件下，根据关系式v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。
对点训练
1.B 合成氨的热化学方程式为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） ΔH＜0。增大压强可以加快合成氨的反应速率，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，充分利用原料，可提高其利用率，D正确。
2.B 合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知，A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，D项错误。
能力培养
（1）提示：高温、高压、催化剂。
（2）提示：低温、高压。
（3）提示：常压、450 ℃、催化剂。
迁移应用
1.A 高温、高压、催化剂是合成氨的条件，硫酸工业不需要高压，A错误。
2.（1）防止合成塔中的催化剂中毒 （2）低温、高压 （3）高温、低压
解析：分析吸收CO反应的特点：正反应是气体体积减小的放热反应，用化学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。
【随堂演练】
1.B 氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反应是气体体积减小的放热反应。净化气体是为了防止杂质气体对催化剂产生影响，不能提高原料的转化率，①不符合题意；加压，平衡正向移动，可以提高原料的利用率，②符合题意；使用催化剂，可以加快反应速率，但平衡不移动，不能提高原料转化率，③不符合题意；分离出氨气，平衡正向移动，提高了原料的转化率，④符合题意；氮气和氢气再循环，可提高原料的转化率，⑤符合题意。
2.A 反应热等于正反应的活化能减去逆反应的活化能，该反应正反应是一个放热反应，故正反应的活化能小于逆反应的活化能，A项正确；催化剂铁触媒的活性温度为450 ℃到500 ℃，故其他条件相同，550 ℃不一定比450 ℃时反应速率快，B项错误；450 ℃、1个标准大气压下SO2的转化率已经相当高，故实际生产中，最适宜的条件是温度450 ℃、压强1 MPa，C项错误；该反应属于可逆反应，将0.5 mol O2和2 mol SO2混合充分反应，O2不可能完全转化，故放出热量小于98.3 kJ，D项错误。
3.D 该历程经历了TS0→TS6的7个基元反应，A项错误；化学键的断裂需要吸收热量，B项错误；合成氨反应为放热反应，高温平衡向左移动，氨气的产率降低，但实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400～500 ℃，是为了使催化剂的活性最大，提高反应速率，提高单位时间内氨气的产量，C项错误；原料气n（N2）∶n（H2）＝1∶3，平衡时，氨气的体积分数为20％，设n（N2）＝1 mol，则n（H2）＝3 mol，消耗的n（N2）＝x mol，列三段式：
N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）
起始量/mol 1 3 0
转化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1－x 3－3x 2x
因×100％＝20％，解得x＝，则氮气的转化率约为×100％≈33.3％，D项正确。
4.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，但目前所用催化剂铁的活性最高时的温度为 700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
5.（1）CE （2） ＜ 合成氨为放热反应，在一定压强下，升高温度，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低
（3）4.0（mol·L－1）－2 （4）
解析：（1）循环的气体是N2和H2，A错误；采用高温是为了加快反应速率，不能提高该反应的平衡转化率，B错误；及时分离出产品使平衡正向移动，C正确；当温度、压强一定时，充入惰性气体会使体系体积变大，各气体分压变小，平衡逆向移动，平衡转化率减小，D错误；合成氨的反应是气体分子数减小的放热反应，故合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零，E正确。（2）由于反应放热，温度越高，N2平衡转化率越低，结合图像可知T1＜T2。（3）根据题意平衡后N2的转化率为50％，此时放出46.1 kJ热量，则消耗的n（N2）＝a mol＝0.5 mol，列三段式：
N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）
起始浓度/（mol·L－1） 4a 8a 0
转化浓度/（mol·L－1） 2a 6a 4a
平衡浓度/（mol·L－1） 2a 2a 4a
K＝（mol·L－1）－2＝4.0（mol·L－1）－2。
（4）起始时，氨气的物质的量为0，一段时间内随着温度的升高，氨气的物质的量逐渐变大，当达到平衡之后，继续升温，平衡逆向移动，氨气的物质的量减小，具体图像见答案。
6 / 6(共70张PPT)
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
1.体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。
2.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。针对典型案例，能从限度等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
学习目标
目 录
知识点 合成氨生产的适宜条件的选择
随堂演练
课时作业
知识点
合成氨生产的适宜条件的选择
1. 合成氨反应的限度
（1）反应原理
已知在298 K时，N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g）的ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。
（2）反应特点
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
（3）有利于合成氨的条件
2. 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
由v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）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。
增大
减小
3. 合成氨生产的适宜条件
（1）合成氨反应适宜条件分析
①选择合成氨生产条件时，既不能片面地追求高 ，也不应只追
求高 ，而应该寻求比较高的反应速率获取适当转化率的反应
条件。
②考虑原料的 、未转化的合成气（氮气和氢气）的
、 的综合利用等。
转化率
反应速率
价格
循环使
用
反应热
（2）合成氨的适宜条件
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（低压、中压和高压）
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
4. 合成氨的生产流程的三阶段
【探究活动】
合成氨是化学科学对人类社会发展与进步作出巨大贡献的典例之一。已
知合成氨反应：N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） 298 K时，ΔH＝－
92.2 kJ·mol－1 ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。浓度与速率有如下关系：v＝
kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）。
交流讨论
1. 根据已知条件分析，在298 K时该反应能否正向自发进行？
提示：298 K时，ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×（－198.2×10－3
kJ·mol－1·K－1）≈－33.14 kJ·mol－1＜0，该反应正向能自发进行。
2. 根据外界条件对化学平衡的影响规律，你认为采取哪些措施有利于氨的
生成？
提示：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
3. 通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率？
提示：升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速率。在特定条
件下，根据关系式v＝kc（N2）·c1.5（H2）·c－1（NH3）可知，增大N2或
H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。
【归纳总结】
1. 根据合成氨反应的特点，从化学反应限度看，有利于氨生成的措施
（1）降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
（2）在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时，平衡
混合物中氨的含量最高。
2. 根据合成氨反应的特点，从化学反应速率角度看，有利于氨生成的措施
增大反应物浓度、减小反应产物浓度、使用合适的催化剂、升高温度，都
可增大合成氨反应的反应速率。
1. 德国化学家哈伯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（ ）
A. 增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率
B. 升高温度既可以加快反应速率，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
√
解析：合成氨的热化学方程式为N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＜0。增大压强可以加快合成氨的反应速率，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，充分利用原料，可提高其利用率，D正确。
2. 下列有关合成氨工业的说法中，正确的是（ ）
A. 从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15％，所以合成氨厂的产率都
很低
B. 由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成
氨的产率很高
C. 合成氨工业的反应温度控制在700 K左右，目的是使化学平衡向正反应
方向移动
D. 合成氨厂采用的压强越大，产率越高，无需考虑设备、条件
√
解析： 合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并
不高，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过
这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知，A项错误，B项正确；
合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，
合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，
C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合
成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，D项错误。
能力培养 工业生产中适宜生产条件的选择（归纳与论证）
在硫酸工业中，通过下列反应将SO2氧化成SO3：2SO2（g）＋O2（g）
2SO3（g） ΔH＝－198 kJ·mol－1。
温度 转化率 压强 450 ℃ 550 ℃
1×105 Pa 97.5％ 85.6％
1×106 Pa 99.2％ 94.9％
5×106 Pa 99.6％ 97.7％
1×107 Pa 99.7％ 98.3％
已知催化剂是V2O5，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）根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽快地转化为
三氧化硫，从化学反应速率的角度考虑，应该选择什么样的条件？
提示：高温、高压、催化剂。
（2）根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽量多地转化
为三氧化硫，从化学反应限度的角度考虑，应该选择什么样的条件？
提示：低温、高压。
（3）根据上述分析，实际工业生产中该反应应选择的条件是什么？
提示：常压、450 ℃、催化剂。
【规律方法】
工业生产中选择适宜生产条件的原则
1. 从可逆性、反应前后气态物质化学计量数的大小关系、焓变三个角度分
析化学反应的特点。
2. 根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的
角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
外界条件 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
压
强 高压（有气体
参加） Δvg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽
量采取高压
Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选择适宜的
压强
【迁移应用】
1. 化学反应的调控对于工业生产具有积极意义，下列关于调控措施的说法
错误的是（ ）
A. 硫酸工业中，在高温、高压、催化剂作用下，可提高生产效益
B. 硫酸工业中，为提高SO2的转化率，可通入稍过量的空气
C. 工业合成氨，考虑催化剂的活性，选择400～500 ℃的反应温度
D. 工业合成氨，迅速冷却、液化氨气是为了使化学平衡向生成氨气的方
向移动
解析：高温、高压、催化剂是合成氨的条件，硫酸工业不需要高压，A错误。
√
2. 合成氨工业中，原料气（N2、H2及少量CO、NH3的混合气）在进入合
成塔前常用醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液来吸收原料气中的CO，其反应是[Cu
（NH3）2]Ac＋CO＋NH3 [Cu（NH3）3]Ac·CO ΔH＜0。（注：Ac－表
示CH3COO－）
（1）必须除去原料气中CO的原因为 。
（2）醋酸二氨合铜（Ⅰ）溶液吸收CO的生产适宜条件应是 。
防止合成塔中的催化剂中毒
低温、高压
（3）吸收CO后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收
CO的能力以供循环使用。醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是
。
解析：分析吸收CO反应的特点：正反应是气体体积减小的放热反应，用化
学平衡原理及有关合成氨适宜条件的选择知识即可作答。
高
温、低压
随堂演练
1. 哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，如图所示是哈伯法合成氨的流
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
√
解析： 氮气和氢气在高温、高压和催化剂条件下反应生成氨气，正反
应是气体体积减小的放热反应。净化气体是为了防止杂质气体对催化剂产
生影响，不能提高原料的转化率，①不符合题意；加压，平衡正向移动，
可以提高原料的利用率，②符合题意；使用催化剂，可以加快反应速率，
但平衡不移动，不能提高原料转化率，③不符合题意；分离出氨气，平衡
正向移动，提高了原料的转化率，④符合题意；氮气和氢气再循环，可提
高原料的转化率，⑤符合题意。
2. （2025·河南郑州高二联考）硫酸工业中SO2催化氧化生成SO3：2SO2
（g）＋O2（g） 2SO3（g） ΔH＝－196.6 kJ·mol－1。将一定量的SO2
和O2混合气在催化剂作用下反应。不同条件下，反应达到平衡时SO2的转
化率如表。下列有关说法正确的是（ ）
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/％
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
A. 正反应的活化能小于逆反应的活化能
B. 其他条件相同，550 ℃一定比450 ℃时反应速率快
C. 实际生产中，最适宜的条件是温度450 ℃、压强10 MPa
D. 常温常压下，将0.5 mol O2和2 mol SO2混合充分反应，放出热量98.3 kJ
√
解析： 反应热等于正反应的活化能减去逆反应的活化能，该反应正反
应是一个放热反应，故正反应的活化能小于逆反应的活化能，A项正确；
催化剂铁触媒的活性温度为450 ℃到500 ℃，故其他条件相同，550 ℃不一
定比450 ℃时反应速率快，B项错误；450 ℃、1个标准大气压下SO2的转化
率已经相当高，故实际生产中，最适宜的条件是温度450 ℃、压强1 MPa，
C项错误；该反应属于可逆反应，将0.5 mol O2和2 mol SO2混合充分反应，
O2不可能完全转化，故放出热量小于98.3 kJ，D项错误。
3. 科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了合成氨的反应历程，如图所示。其中吸附在催化剂表面的物质用*表示，TS表示过渡态。下列说法正确的是（ ）
A. 图示历程包含了9个基元反应
B. ＋3H2 ＋6H*反应的ΔH＜0，说明H—H断裂放出热量
C. 实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400～500 ℃，是为了提高
氨气产率
D. 原料气n（N2）∶n（H2）＝1∶3，平衡时，氨气的体积分数为20％，
则氮气的转化率约为33.3％
√
解析： 该历程经历了TS0→TS6的7个基元反应，A项错误；化学键的断
裂需要吸收热量，B项错误；合成氨反应为放热反应，高温平衡向左移
动，氨气的产率降低，但实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为
400～500 ℃，是为了使催化剂的活性最大，提高反应速率，提高单位时间
内氨气的产量，C项错误；原料气n（N2）∶n（H2）＝1∶3，平衡时，氨
气的体积分数为20％，设n（N2）＝1 mol，则n（H2）＝3 mol，消耗的n
（N2）＝x mol，列三段式：
N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g）
起始量/mol 1 3 0
转化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1－x 3－3x 2x
因 ×100％＝20％，解得x＝ ，则氮气的转化率约
为 ×100％≈33.3％，D项正确。
4. 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
解析： 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，但目前所用催化剂铁的活性最高时
的温度为 700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
√
5. 工业上合成氨是在一定条件下进行反应：N2（g）＋3H2（g） 2NH3
（g） ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，其部分工艺流程如图：
（1）下列有关合成氨工业的叙述，正确的是 （填字母）。
A. 循环的气体是N2、H2、NH3
B. 采用高温是为了保证尽可能高的平衡转化率与快的反应速率
C. 及时分离出产品，有利于反应正向进行
D. 当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰
性气体，有利于提高平衡转化率
E. 合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
CE
解析：循环的气体是N2和H2，A错误；采用高温是为了加快反应速率，不能提高该反应的平衡转化率，B错误；及时分离出产品使平衡正向移动，C正确；当温度、压强一定时，充入惰性气体会使体系体积变大，各气体分压变小，平衡逆向移动，平衡转化率减小，D错误；合成氨的反应是气体分子数减小的放热反应，故合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零，E正确。
（2）在其他条件相同时，分别测定不同压强、不同温度下，N2的平衡转
化率，结果如图。
T1 （填“＞”或“＜”）T2，判断的理由是
。
解析：由于反应放热，温度越高，N2平衡转化率越低，结合图像可知T1＜T2。
＜
合成氨为放热反应，在
一定压强下，升高温度，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低
（3）温度为t ℃时，将4a mol H2和2a mol N2充入0.5 L密闭容器中，充分
反应达到平衡后测得N2的转化率为50％，此时放出热量46.1 kJ。则该温度
下N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g）的平衡常数为 。
4.0（mol·L－1）－2
解析：根据题意平衡后N2的转化率为50％，此时放出46.1 kJ热量，
则消耗的n（N2）＝a mol＝0.5 mol，列三段式：
N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g）
起始浓度/（mol·L－1） 4a 8a 0
转化浓度/（mol·L－1） 2a 6a 4a
平衡浓度/（mol·L－1） 2a 2a 4a
K＝ （mol·L－1）－2＝4.0（mol·L－1）－2。
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在如图坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3的物质的量变化的曲线示意图。
答案：
解析：起始时，氨气的物质的量为0，一段时间内随着温度的升高，氨气的物质的量逐渐变大，当达到平衡之后，继续升温，平衡逆向移动，氨气的物质的量减小，具体图像见答案。
课时作业
1. 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％
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
√
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，则应加入的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％。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2. 一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入等量的体积比为
1∶3的N2和H2。开始时两容器的容积相同，则达到平衡时两容器中N2的转
化率（ ）
A. a中大 B. b中大
C. a、b中一样大 D. 无法判断
解析：由题给信息可知，容器a中的反应与容器b中的反应相比，相当于增大压强，则平衡正向移动，因此平衡时容器a中N2的转化率大于容器b中N2的转化率。
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3. 工业上用N2和H2合成NH3，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确
的是（ ）
A. 消耗0.1 mol H2时，生成N—H数目为0.2 NA
B. 合成氨反应温度一般选择400～500 ℃，因为该反应为吸热反应
C. 0.4 mol N2所含电子的数目为4NA
D. 氧化22.4 L NH3生成NO，消耗O2分子数为2NA
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
解析： 合成氨反应中，每消耗3 mol氢气生成2 mol氨气，2 mol氨气含6
mol N—H，所以消耗0.1 mol氢气可生成0.2NA N—H，A项正确；合成氨
为放热反应，B项错误；每个N2分子中含14个电子，故0.4 mol N2含电子数
为5.6NA，C项错误；没有给出温度和压强，22.4 L气体物质的量不确定，
D项错误。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4. 合成氨所需的氢气可用煤和水作为原料经多步反应制得，其中的一步反
应为CO（g）＋H2O（g） CO2（g）＋H2（g） ΔH＜0反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是（ ）
A. 增加压强 B. 降低温度
C. 增大CO的浓度 D. 更换催化剂
解析： A项，该反应为反应前后气体分子数相等的反应，压强对CO的
转化率无影响； B项，该反应为放热反应，降低温度有利于化学平衡向右
移动，提高CO的转化率；C项，增大CO的浓度会降低CO的转化率；D
项，更换催化剂不能使化学平衡发生移动。
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5. N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＜0，向容器中通入1 mol N2和3
mol H2，当反应达到平衡时，下列措施能提高N2转化率的是（ ）
①降低温度
②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2
③增加NH3的物质的量
④维持恒压条件，通入一定量惰性气体
A. ①④ B. ①②
C. ②③ D. ③④
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
解析：①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为1∶3再通入一定量的N2和H2，相当于增大压强，平衡正向移动，氮气的平衡转化率增大；③增加NH3的物质的量，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低；④维持恒压条件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，氮气的平衡转化率降低。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6. 合成氨反应的正反应是气态物质系数减小的放热反应。合成氨工业的生
产流程如图所示。
下列关于合成氨工业的说法中不正确的是（ ）
A. 将混合气体进行循环利用符合绿色化学思想
B. 合成氨反应需在低温下进行
C. 对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率
D. 使用催化剂可以提高反应速率，提高单位时间内氨气的产量
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
解析： 混合气的循环利用可以提高原料的利用率，减少污染和浪费，
符合绿色化学思想，A正确；低温有利于提高原料的转化率，但不利于提
高反应速率也不利于催化剂发挥催化作用，故合成氨不采用低温条件，B
错误；增大压强，平衡正向移动，提高了原料的转化率，C正确；催化剂
能改变反应速率，单位时间内提高氨的产量，D正确。
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7. （2025·广州高二期末）H2与N2在固体催化剂表面合成NH3的模拟示意
图如图所示，图中1个分子或原子代表1 mol该分子或原子，已知N2（g）＋
3H2（g） 2NH3（g） ΔH＝－92 kJ·mol－1。下列说法正确的是（ ）
、 、 分别代表N2、H2和NH3
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A. 该反应在高温下可自发进行
B. 实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率
C. 实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提
高转化率
D. 1 mol N2和3 mol H2断键生成2 mol N和6 mol H吸收的能量为｜ΔH1＋
ΔH2｜
下列说法正确的是（ ）
√
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解析： 该反应是熵减的放热反应，ΔH－TΔS＜0，低温条件下反应能
自发进行，A错误；该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移
动，生成物的产率降低，则实际生产采用高温是为了加快反应速率，B错
误；反应未达平衡时，催化剂能加快反应速率，有利于提高反应物的转化
率，C正确；由图可知，｜ΔH1＋ΔH2｜包含断键吸收的能量和吸附氢气和
氮气的能量变化，所以1 mol氮气和3 mol氢气断键生成2 mol氮原子和6 mol
氢原子吸收的能量小于｜ΔH1＋ΔH2｜，D错误。
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8. （2025·湖南长沙高二检测）在一定条件和催化剂作用下，二氧化碳加
氢可以合成二甲醚（CH3OCH3），发生反应Ⅰ：2CO2（g）＋6H2（g）
CH3OCH3（g）＋3H2O（g） ΔH1＜0，在同一条件下还可能发生副反应
Ⅱ：CO2（g）＋H2（g） CO（g）＋H2O（g） ΔH2＞0。下列说法正
确的是（ ）
A. 实际生产中温度常常控制在500 ℃左右，这是因为在高温下生成二甲醚
的选择性较高
B. 增大压强有助于生成更多二甲醚，故生产中使用的压强越大越好
C. 在任何温度下反应Ⅰ都能自发进行
D. 及时将二甲醚从体系中分离出来有助于提高二甲醚的平衡产率
√
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解析： 反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，温度升高，反应Ⅰ平衡逆
向移动，反应Ⅱ平衡正向移动，故高温下发生反应Ⅰ生成二甲醚的选择性较
低，实际生产中温度常常控制在500 ℃左右可能是考虑催化剂活性，A错
误；反应Ⅰ是气体分子数减小的反应，故增大压强有助于生成更多产物，但
生产中还需考虑设备成本等问题，故压强并非越大越好，B错误；反应Ⅰ是
放热、熵减的反应，即ΔH＜0，ΔS＜0，则吉布斯自由能ΔG＝ΔH－
TΔS在高温下可能大于零，此时反应不能自发进行，C错误；及时将二甲
醚从体系中分离减小了反应Ⅰ的生成物浓度，使反应Ⅰ平衡正向移动，提高
了二甲醚的平衡产率，D正确。
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9. 合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为N2（g）
＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
据此回答以下问题：
（1）①该反应的化学平衡常数表达式为 。
②根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡
常数越 。
K＝
小
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（2）某温度下，若把10 mol N2与30 mol H2置于容积为10 L的恒容密闭容
器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，则该
温度下反应的平衡常数K＝ （可用分数表示）。能
说明该反应达到化学平衡状态的是 （填字母）。
a.容器内的密度保持不变
b.容器内压强保持不变
c.v正（N2）＝2v逆（NH3）
d.混合气体中c（NH3）不变
（mol·L－1）－2
bd
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解析：设转化的氮气的浓度为x mol·L－1，列三段式：
N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g）
初始浓度/
（mol·L－1） 1 3 0
转化浓度/
（mol·L－1） x 3x 2x
平衡浓度/
（mol·L－1） 1－x 3－3x 2x
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反应达到平衡状态时，测得混合气体中氨的体积分数为20％，即 ×100％＝20％，解得x＝ ，则K＝ ＝ ＝ （mol·L－1）－2。容器容积不变，气体质量不
变，所以容器内的密度始终保持不变，a错误；容器容积不变，反应前后气
体物质的量不相等，所以容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，b
正确；v正（N2）＝2v逆（NH3），正、逆反应速率不相等，说明反应未达
到平衡状态，c错误；混合气体中c（NH3）不变，说明各组分浓度都不
变，反应达到平衡状态，d正确。
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（3）对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是 （填字
母）。
ac
解析：先出现拐点的先达到平衡状态，则T2＞T1，温度升高，平衡逆向移
动，NH3的体积分数减小，a正确；平衡时各物质浓度不一定相等，b错误；
使用催化剂可加快反应速率，但对平衡无影响，平衡时物质的转化率不变，
c正确。
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（4）相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1
mol N2和3 mol H2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中
NH3的体积分数为a，放出热量Q1 kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量
Q2 kJ。则：a （填“＞”“＝”或“＜”，下同）b，Q1 92.4。
解析：相对于A来说，B相当于加压，平衡正向移动，氨气的体积分数变大，所以a＜b；合成氨反应为可逆反应，则A中1 mol N2和3 mol H2不能完全转化为2 mol NH3，Q1＜92.4。
＜
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10. 工业合成氨是人类科技的一项重大突破，其反应为3H2（g）＋N2
（g） 2NH3（g） ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
（1）判断该反应的自发性并说明理由：
。
解析：该反应为放热的熵减反应，根据ΔH－TΔS＜0反应能够自发进行，则该反应在低温条件下能够自发进行。
该反应在低温下能够自发进
行；因ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS在低温下小于0
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（2）工业合成氨流程示意图如图1：
①工业上通常在400～500 ℃下进行合成氨反应，用碰撞理论解释为什么不
在常温下进行反应：
。
在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较
低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢
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②干燥净化的目的是
，装置 A的作用为 ，B处的物质主要是
（写出物质并注明状态）。
③工业上N2和H2混合气反应后经过图1中的过程再及时补充N2和H2进入合
成塔反应，以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进
入的N2和H2，循环过程中转化率随温度变化曲线如图2所示，图2所示进程
中表示热交换过程的是 （填字母）。
除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低
催化效率
增大压强
液态氨
气
BDFH
A. a1→b1 B. b1→c1 C. c1→a2 D. a2→c1
E. c1→b2 F. b2→c2 G. c2→a3 H. a3→c2
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解析：①在常温下进行反应，温度较低，活化分子比率较低，发生有效碰撞的几率较小，反应速率较慢，400～500 ℃时活化分子比率较高，发生有效碰撞的几率较大，反应速率较快，故不在常温下进行反应；②干燥净化的目的是除去反应物中的杂质气体，防止催化剂中毒而降低催化效率；反应为气体分子数减小的反应，增大压强利于反应正向进行且可以提高反应速率，故装置 A的作用为对反应物进行加压；B处的物质主要是分离出的液氨，使得生成物浓度减小，利于反应正向进行，提高原料的利用率；③反应混合气在热交换器中与原料气进行热交换，在此过程中反应混合物不与催化剂接触，反应速率大幅度减小，虽然温度降低但是转化率几乎不变；由于以一定量的N2和H2为研究对象，计算转化率时不考虑新补充进入的N2和H2，故回收利用的原料气的温度升高，转化率也几乎不变；故图2所示进程中表示热交换过程的是b1→c1、a2→c1、b2→c2、a3→c2，选B、D、F、H。
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（3）已知Arrhenius经验公式为Rln k＝－ ＋C（Ea为活化能，k为速率
常数，R和C为常数），假设使用现有合成氨催化剂铁触媒时的图像如图
所示，科学家研制出一种新型催化剂，合成氨条件降为350 ℃、1 MPa，在
图中画出在使用该高效催化剂条件下Rln k与 的关系图。
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答案：
解析：已知Rln k＝－ ＋C（Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数），由图可知，曲线的斜率为 －Ea，使用该高效催化剂条件下活化能
更小，反应速率更快，则Rln k与 的关系图见答案。
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演示完毕 感谢观看
