第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
夯实基础轻松达标
1.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.
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),673
K,30
MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.点a的正反应速率比点b的小
B.点c处反应达到平衡
C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变,773
K条件下反应至t1时刻,n(H2)比图中d点的值大
3.将a
L
NH3通过灼热的装有铁催化剂的硬质玻璃管后,气体体积变为b
L(气体体积均在同温同压下测定)。该b
L气体中NH3的体积分数是( )
A. B. C. D.
4.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)如下表所示:
压强
温度
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
5.将氮气和氢气的混合气体通入合成塔中,反应1小时达到平衡以后,N2、H2、NH3的浓度分别为3
mol·L-1、7
mol·L-1、4
mol·L-1,则下列结果不正确的是( )
A.v(H2)始=7
mol·L-1·h-1
B.c始(H2)=13
mol·L-1
C.c始(N2)=5
mol·L-1
D.H2的转化率为46.2%
6.已知合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.2
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
7.在一定温度和压强下,在密闭容器中充入H2、N2、NH3,开始时其物质的量之比为3∶1∶1,反应达平衡后,H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4,则此时氮气的转化率为( )
A.10%
B.20%
C.15%
D.30%
8.在一定温度下,在恒压容器a和恒容容器b中,分别充入体积比1∶3的N2和H2。开始时体积相同,达到平衡时两容器中N2的转化率比较( )
A.a大
B.b大
C.a、b一样大
D.无法判断
9.在450
℃时发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH<0。若体系中只改变下列条件,请把影响结果填入表中。
改变条件
正反应
速率
逆反应
速率
平衡
移动
N2的
转化率
(1)增大N2的浓度
(2)增大NH3的浓度
(3)减小NH3的浓度
(4)压缩体积增大压强
(5)升高温度
(6)加入催化剂
(7)体积不变充入氖气
提升能力跨越等级
1.在一定条件下,一定量的N2和H2合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积分数为25%。若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的比值是( )
A.
B.
C.
D.
2.
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
3.(2019山东青岛高二诊断)合成氨反应的正反应是气体体积减小的放热反应。合成氨工业的生产流程如下:
关于合成氨工业的说法中不正确的是( )
A.混合气体进行循环利用遵循绿色化学思想
B.合成氨反应须在低温下进行
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的速率,但是不能使平衡向正反应方向移动
4.(双选)对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是( )
A.达到平衡后,加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,N2的浓度比原平衡的小
B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率
C.达到平衡后,缩小容器体积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高氢气的转化率
D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为催化剂改变反应途径,降低反应的活化能
5.下列是关于N2+3H22NH3的反应速率与时间的关系图像,纵坐标为反应速率v,横坐标为时间t。当反应达到平衡后,条件发生改变与速率变化的关系不符合实际的是( )
6.将等物质的量的N2、H2充入某密闭容器中,在一定条件下,发生如下反应并达到平衡:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时,下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( )
选项
改变条件
新平衡与原平衡比较
A
升高温度
N2的转化率变小
B
压缩体积使压强增大
N2的浓度变小
C
充入一定量H2
H2的转化率增大
D
使用适当催化剂
N2的体积分数变小
7.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义,对我国实现农业现代化也起着重要作用。根据已学知识回答下列问题[已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-92.4
kJ·mol-1]:
(1)合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是 (填序号)。?
A.采用较高压强(20~50
MPa)
B.采用500
℃的高温
C.用铁触媒作催化剂
D.将生成的氨液化并及时从体系中分离出来
(2)合成氨工业中采用了较高压强(20~50
MPa),而没有采用100
MPa或者更大压强,试解释没有这么做的理由 。?
(3)在容积均为2
L(容器体积不可变)的甲、乙两个容器中,分别加入2
mol
N2、6
mol
H2和1
mol
N2、3
mol
H2,在相同温度、催化剂下使其反应。最终达到平衡后,两容器N2转化率分别为α甲、α乙,则甲容器中平衡常数为 (用含α甲的代数式表示),此时α甲 α乙(填“>”“<”或“=”)。?
贴近生活拓展创新
1.电催化N2还原制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用
表示,下列说法不正确的是( )
A.N2生成NH3是通过多步还原反应实现的
B.两个氮原子上的加氢过程同时进行
C.析氢反应(H
+H
H2)会影响NH3的生成
D.NH3的及时脱附有利于提高催化剂活性
2.合成氨工艺(流程如图所示)是人工固氮最重要的途径。
2018年是合成氨工业先驱哈伯获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为:N2(g)+H2(g)NH3(g) ΔH(298
K)=-46.2
kJ·mol-1,
在Fe做催化剂作用下的反应历程为(
表示吸附态)
化学吸附:N2(g)→2N
;H2(g)→2H
表面反应:N
+H
NH
;NH
+H
N;N+H
N
脱附:NNH3(g)
其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。请回答:
(1)利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。?
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(2)标准平衡常数Kθ=,其中pθ为标准压强(1×105
Pa),p(NH3)、p(N2)和p(H2)为各组分的平衡分压,如p(NH3)=x(NH3)p,p为平衡总压,x(NH3)为平衡体系中NH3的物质的量分数。
①N2和H2起始物质的量之比为1∶3,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则标准平衡常数Kθ= (用含w的最简式表示)。?
②下图中可以示意标准平衡常数Kθ随温度T变化趋势的是 。?
(3)实际生产中,常用工艺条件:Fe做催化剂,控制温度为773
K、压强为3.0×105
Pa,原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。
①分析说明原料气中N2过量的理由 。?
②关于合成氨工艺的下列理解,正确的是 (填字母)。?
A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.控制温度(773
K)远高于室温,是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
C.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
D.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
E.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生
参考答案
第4节 化学反应条件的
优化——工业合成氨
夯实基础·轻松达标
1.B 合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动,②④符合题意;将原料气循环利用也可提高原料的转化率,⑤符合题意。
2.D a点的反应物浓度大于b点,所以反应速率a更快;c点的时候各种物质的浓度仍在变化,并没有达到平衡;而d、e两点时达到平衡,浓度不再变化;升高温度,平衡逆向移动,氢气的浓度变大。
3.C 2NH3N2+3H2 ΔV
2
1
3
2
可见,分解的氨的体积为(b-a)
L,则剩余氨的体积为a
L-(b-a)
L=(2a-b)
L,该b
L气体中NH3的体积分数是。
4.D 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;平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系,因此D项符合题意。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。
5.A 由题知,起始NH3浓度为0,达到平衡后NH3的浓度为4
mol·L-1,说明转化了4
mol·L-1,则由化学方程式中化学式前面的系数关系知N2消耗了2
mol·L-1,H2消耗了6
mol·L-1,所以c始(H2)=13
mol·L-1,c始(N2)=5
mol·L-1,H2的转化率为×100%=46.2%。
6.B 若t1时升高了温度,则随后v(正)应增大至平衡,A错误;若t3时增大了压强,v(正)应增大,而不会减小,故C错误;若t4时降低了温度,则v(正)应突然减小,曲线不应相连,D错误。
7.A 由题意设开始时H2、N2、NH3的物质的量分别为3
mol、1
mol、1
mol。平衡时N2转化了a
mol,则根据“三段式”分析:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
初始物质的量/mol
1
3
1
转化物质的量/mol
a
3a
2a
平衡物质的量/mol
1-a
3-3a
1+2a
则,解之得a=0.1。
N2的转化率为×100%=10%。
8.A 先假设a容器开始时也保持容积不变,则达到平衡时容器a中N2的转化率与容器b中N2的转化率相等,但达到平衡时,a容器的压强比开始变小了。由于容器a恒压,若要保持开始时的压强,必然要缩小容器a的容积,则平衡会正向移动。因此再次达平衡时,N2的转化率会增大。
9.答案
(1)增大 增大 正向移动 减小
(2)增大 增大 逆向移动 减小
(3)减小 减小 正向移动 增大
(4)增大 增大 正向移动 增大
(5)增大 增大 逆向移动 减小
(6)增大 增大 不移动 不变
(7)不变 不变 不移动 不变
提升能力·跨越等级
1.A 设起始时H2的物质的量为a
mol,N2的物质的量为b
mol,平衡时NH3的物质的量为x
mol,则:
3H2+ N2 2NH3 ΔV
起始/mol
a
b
0
平衡/mol
a-
b-
x
x
因为在相同条件下,气体的物质的量之比等于体积之比,根据题意可得方程:=0.25,化简得,故A项正确。
2.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触媒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。
3.B 低温虽然有利于平衡正向移动,但低温会导致反应速率降低,不利于提高生产效率,B项错误。
4.CD 达到平衡后,加入N2,平衡向正反应方向移动,达到新平衡后,NH3的浓度会增大,而N2的浓度比原平衡的大,A项错误;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH3的生成,B项错误;达到平衡后,缩小容器体积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,又有利于提高H2的转化率,C项正确;加入催化剂,改变了反应途径,降低了反应的活化能,从而缩短反应达到平衡的时间。
5.A 合成氨反应是气体体积减小的放热反应,所以加压和降温有利于化学平衡向着生成氨气的方向移动。达到化学平衡后,若升高温度,化学平衡左移,实际上此时是逆反应速率大于正反应速率,所以A项错误;如果给体系加压,体系中所有物质的浓度都增大,所以正、逆反应速率都增大,但正反应速率增大的幅度大于逆反应速率增大的幅度,所以B项正确;使用催化剂不会使化学平衡发生移动,只能改变化学反应速率,所以C项正确;补充N2和H2,则平衡体系中反应物的浓度增大,所以正反应速率增大,分离出NH3,产物的浓度减小,所以逆反应速率减小,所以D项正确。
6.A 升高温度,平衡逆向移动,则N2的转化率变小,A正确;压缩体积使压强增大,平衡正向移动,由于容器的体积减小,则达到新平衡后N2的浓度仍变大,B错误;充入一定量的H2,平衡正向移动,N2的转化率增大,但H2的转化率减小,C错误;使用适当催化剂,可改变化学反应速率,但平衡不移动,则N2的体积分数不变,D错误。
7.答案
(1)BC
(2)采用更大压强会要求使用能耐更大压强的设备,从而增加生产成本(其他合理答案也可)
(3) >
解析
(1)反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动;500
℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动;采用500
℃不仅考虑到温度对反应速率的影响,更主要的是500
℃左右催化剂活性最大。催化剂只改变反应速率,不改变平衡移动;生成氨液化并分离出来,减少体系中氨的浓度,平衡正向移动。
(2)采用更大压强,需要使用承受更大压强的设备,会增加生产成本,不经济。
(3)在甲容器中,反应的N2为2
mol×α甲,则有
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
初始物质的量/mol
1
3
0
转化物质的量/mol
α甲
3α甲
2α甲
平衡物质的量/mol
1-α甲
3-3α甲
2α甲
则K=。
甲与乙相比,相当于在乙平衡的基础上增大压强,平衡正向移动,即甲容器中的平衡正向移动的程度更大,所以α甲>α乙。
贴近生活·拓展创新
1.B 由图可知,N2生成NH3是通过N2→
N2→
NNH……NH3多步还原反应实现的,故A不符合题意;由图可知,加氢过程是分步进行的(
N2→
NNH→
NHNH),故B符合题意;析氢反应(H
+H
H2)会导致NH3中H不足,从而影响NH3的生成,故C不符合题意;NH3的及时脱附,能够增加催化剂与反应物的接触面积,即有利于增加催化剂活性,故D不符合题意。
2.答案
(1)AD (2)① ②A
(3)①原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决定整体反应速率的主要步骤,N2适度过量有利于提高整体反应速率
②ADE
解析
(1)合成氨反应是气体分子数减小的放热反应,所以低温、高压有利于提高合成氨的平衡产率,A、D正确。
(2)①Kθ=
N2(g)+H2(g)NH3(g)
起始/mol
0
平衡/mol
a
a
a
根据题意得:=w
Kθ=
=
=
=。
②温度升高,平衡左移,标准平衡常数减小,应选A。
(3)①N2在空气中大量存在,容易得到,所以N2可适度过量,以便提高H2的转化率;②根据合成氨反应的特点及平衡移动原理分析可知,A、D、E正确。(共27张PPT)
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
知识铺垫
必备知识
正误判断
合成氨反应的发明有什么意义?实验合成氨工业化生产需注意什么?
?
?
?
?
提示:合成氨技术的发明,使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产,必须从反应速率和反应限度两个方面选择合适的反应条件。
知识铺垫
必备知识
正误判断
一、合成氨反应的限度
1.合成氨反应的特点
合成氨反应是一个可逆反应,化学方程式为 。在298
K时ΔH=-92.2
kJ·mol-1,ΔS=-198.2
J·K-1·mol-1,该反应是一个 反应,同时又是一个熵 的反应。?
2.合成氨的自发性
在298
K时,合成氨是 进行的反应。?
3.合成氨反应的限度
、 将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。?
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
放热
减小
自发
降低温度
增大压强
1∶3
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考】已知298
K时,N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
ΔH=-92.2
kJ·mol-1,ΔS=-198.2
J·K-1·mol-1,请通过计算说明298
K时合成氨反应能否自发进行?
提示:ΔH-TΔS=-92.2×103
J·mol-1-298
K×(-198.2
J·K-1·mol-1)=-92.2×103
J·mol-1+59
063.6
J·mol-1=-33
136.4
J·mol-1<0,即298
K时合成氨反应能自发进行。
知识铺垫
必备知识
正误判断
二、合成氨反应的速率
1.浓度对合成氨反应速率的影响
由v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)知,合成氨反应的速率与氮气浓度的
次方成正比,与氢气浓度的 次方成正比,与氨气浓度的 次方成反比。在反应过程中,随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐 ,因此为了保证足够高的反应速率,应该适时将氨从混合物中分离出来。?
2.催化剂对反应速率的影响
加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的 ,从而增大 。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。?
3.温度
温度 ,合成氨反应进行得越快。?
1
1.5
1
降低
活化能
反应速率
越高
知识铺垫
必备知识
正误判断
三、合成氨生产的适宜条件
1.合成氨反应条件的选择
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
反应速率
反应限度
转化率
产量
知识铺垫
必备知识
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率和平衡转化率。
( )
(2)高压比常压条件更有利于合成氨的反应。( )
(3)500
℃左右比室温更有利于合成氨的反应,提高H2的平衡转化率。( )
(4)合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率。( )
(5)合成氨采用2×107~5×107
Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高。( )
(6)合成氨工业采用高压,不仅能提高转化率,还能缩短到达平衡的时间。( )
×
√
×
√
×
√
探究
素养脉络
随堂检测
生产中选择适宜生产条件的思路
问题探究
利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。1909年,德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5~20
MPa和500~600
℃下直接合成,反应器出口仅仅得到6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢?
?
?
?
?
提示:最关心的问题应是如何提高单位时间内的产量以及原料的利用率。
探究
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.合成氨最佳条件的分析与选择
(1)温度:
升高温度有利于提高反应速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化剂都有一个适宜的使用温度。合成氨工业上一般采用700
K左右的温度。此温度催化剂活性最强。
(2)压强:
增大压强,有利于提高反应速率,也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但压强越大,对设备材料、技术的要求就越高,生产成本也越高,综合考虑,工业上采用的压强一般为1×107~1×108
Pa。
探究
素养脉络
随堂检测
(3)浓度:
理论上n(N2)∶n(H2)=1∶3时,平衡转化率最高,但实验表明当n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时更有利于氨的合成。工业上通常采用1∶2.8的比例投料,并且及时地分离出NH3,促使平衡正向移动。
(4)催化剂:
催化剂不影响化学平衡,但能极大地加快反应速率,工业上一般采用铁触媒做合成氨的催化剂。
2.工业生产中选择适宜生产条件的思路
(1)从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、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反应速率和化学平衡的影响;从反应速率和化学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。
探究
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。
(1)下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是 。?
A.使用铁作为催化剂有利于合成氨的反应
B.高压比常压更有利于合成氨的反应
C.700
K左右比室温更有利于合成氨的反应
D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
探究
素养脉络
随堂检测
(2)已知工业合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.2
kJ·mol-1。
①一定温度下,在容积恒定的密闭容器中,一定量的N2和H2反应达到平衡后,改变某一外界条件,反应速率与时间的关系如图所示,其中t2、t4、t7时刻所对应的实验条件改变分别是t2 ,t4 ,t7 。?
②温度为T
℃时,将2a
mol
H2和a
mol
N2放入0.5
L密闭容器中,充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%,此时放出热量46.1
kJ,则该温度下反应的平衡常数为 。?
探究
素养脉络
随堂检测
答案:(1)AC
(2)①增大N2或H2的浓度 加入催化剂 降温 ②4.0(mol·L-1)-2
解析:(1)使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,即正、逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,只是可以缩短达到平衡所需的时间,不能用平衡移动原理来解释。由于合成氨反应的正反应是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应,低温虽然可以提高氨气的产量,但是反应速率太慢,而温度太高虽能加快反应速率,但却使平衡混合物中氨气的含量降低,因此工业生产一般采用适宜的温度,既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量。700
K左右催化剂的活性最高,因此不能用平衡移动原理来解释。将生成物氨气液化分离,降低了生成物的浓度,将使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。
探究
素养脉络
随堂检测
(2)①t2时刻正反应速率瞬间加快,逆反应速率瞬间未变化,平衡正向移动,应是增大了反应物的浓度;t4时刻反应速率加快,但平衡未发生移动,应是加入了催化剂;t7时刻正、逆反应速率都瞬间减慢后平衡正向移动,应是降低了温度。
探究
素养脉络
随堂检测
②根据“三段式”计算:
平衡时放出热量为46.1
kJ,则平衡时N2转化了0.5
mol,0.5a
mol=0.5
mol,则a=1.0。
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规律方法
合成氨条件的优化
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变式训练哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1
mol
N2和3
mol
H2,在一定条件下使该反应发生。下列有关说法正确的是( )
A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3
B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等
C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化
D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零
答案:C
解析:在密闭容器中进行的任何可逆反应不可能进行到底,因此,达到化学平衡时,氮气不可能完全转化为氨气,A错;当正反应速率和逆反应速率相等(不为零)时,反应达到平衡,此时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化,但不能认为N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等。
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1.合成氨时采用700
K左右的温度进行,主要是因为在该温度时( )
A.合成氨的化学反应速率最大
B.N2的转化率最高
C.催化剂的活性最大
D.NH3在平衡混合气体中的体积分数最大
答案:C
解析:当压强一定、温度升高时,虽然能增大合成氨的反应速率,但由于合成氨反应是放热反应,升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。因此,从反应的理想条件来看,氨的合成反应在较低温度下进行有利,但是温度过低,反应速率很小,需要很长的时间才能达到平衡状态,这在工业生产上是很不经济的。催化剂铁在700
K左右时的活性最大,这是合成氨反应一般选择在700
K左右进行的重要原因之一。
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2.工业合成氨的正反应是放热反应,下列关于反应N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)的图像中,错误的是( )
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答案:C
解析:合成氨反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但逆反应速率增大的程度大,A正确;在T1时w(NH3)最大,达到平衡,再升高温度,平衡逆向移动,w(NH3)缩小,B正确;低温时达到平衡,w(NH3)大,C错误;增大压强,平衡向右移动,w(NH3)增大,D正确。
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3.有关合成氨工业的下列说法正确的是( )
A.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
B.由于氨可液化分离出来,N2、H2在实际生产中循环使用,所以总体来说氨的产率较高
C.合成氨工业的反应温度一般控制在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是2×107~3×107
Pa,因在该压强下铁催化剂的活性最大
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答案:B
解析:合成氨工业中从合成塔出来的混合气体中NH3的含量较小,但由于分离出NH3后,N2和H2可循环使用,所以总体来说氨的产率是较高的,则A项错误,B项正确;合成氨工业的反应温度控制在700
K左右而不选择常温,是为了加快反应速率,且催化剂在700
K时催化活性最高,C项错误;合成氨的反应为气态物质系数减小的反应,增大压强主要是为了使平衡向正反应方向移动,与催化剂活性无关,D项错误。
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4.在合成氨时,既要使氨的产率增大,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.①④⑤⑦
B.②③④⑦⑧
C.②⑤
D.②③⑤⑥⑧
答案:C
解析:要使氨的产率增大,平衡右移,增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度、及时分离产生的NH3均可以,要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用正催化剂都可以,因此符合要求的是②⑤。
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5.工业合成氨[N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)]反应过程中的能量变化如图所示,根据图示回答下列问题:
(1)该反应通常用活性铁做催化剂,加活性铁会使
图中B点 (填“升高”或“降低”),理由是 。?
(2)450
℃时该反应的平衡常数 (填“<”、“>”或“=”)500
℃时的平衡常数。?
(3)一定条件下的密闭容器中,该反应达到平衡,要提高H2的转化率,可以采取的合理措施有 (填字母)。?
a.高温高压
b.加入催化剂
c.增加N2的浓度
d.增加H2的浓度
e.分离出NH3
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答案:(1)降低 催化剂能降低反应的活化能
(2)> (3)ce
解析:(1)催化剂能降低反应的活化能。
(2)该反应正向为放热反应,低温有利于平衡正向移动,450
℃时反应正向进行的程度大,即450
℃对应的平衡常数比500
℃时大。
(3)高温使化学平衡逆向移动,H2转化率降低,a不合理;催化剂对平衡无影响,b不合理;增加N2的浓度可以提高H2的转化率,c合理;增加H2的浓度会降低H2的转化率,d不合理;分离出NH3,有利于平衡右移,提高H2的转化率,e合理。
