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化学反应条件的优化——工业合成氨
学习目标：
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. 通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的控制在工业生产中的重要作用。 学习重难点：
应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。 自主学习 【知识梳理】
影响化学反应速率和化学平衡的重要因素：
温度 化学反应速率 温度越高，反应速率越大 化学平衡 升高温度，平衡向吸热方向移动 增大压强，平衡向气态物质系数减小的方向移动 气体压强 压强越大，反应速率越大 催化剂 正催化剂加快反应速率；受温度影响较大 反应物浓度越大，反应速率越大 催化剂对平衡移动无影响 浓度
【学习探究】
增大反应物浓度，平衡正向移动 探究点一 合成氨反应的限度、速率 1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)
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2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol；ΔS－1
＝－198.2 J·mol·K。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？
【答案】假设ΔH和ΔS不随温度变化，由ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－T×(－198.2 J·mol·K)/1
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000 J?kJ<0能自发，得T<465.2 K。故298 K下合成氨反应能自发进行。 2．利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
【答案】合成氨反应的特点有①可逆反应；②常温下的自发的反应；③正反应气态物质系数减小；④正反
应是放热反应。降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，且N2、H2体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 3．利用条件对反应速率的影响分析。
(1)利用升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂来提高合成氨反应的速率。
(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N2)c(H2)c1
1.5
－
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(NH3)，根据关系式分析：
①各物质的浓度对反应速率的影响是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。
②可以采取增大N2、H2浓度，将氨及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。 (3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比
条件 无催化剂 有催化剂 Ea/kJ·mol－1 335 167 k(催)/k(无) 3.4×10(700 K) 12说明了使用催化剂可以使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 [归纳总结]
使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件
条件 压强 温度 催化剂 反应物的浓度 最新最全精品教育资料
速率分析 高压 高温 使用 增大浓度 平衡分析 高压 低温 无影响 增大浓度 最新最全精品教育资料
[活学活用]
1．能使合成氨反应进行程度增大的方法是( ) A．升高温度 C．使用催化剂 【答案】D
2．合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是( ) A．尽可能延长反应时间 B．通入过量的N2 C．通入过量的H2 D．升高温度 【答案】C
探究点二 合成氨的适宜条件 工业合成氨对各种外界条件选择的理由 1．压强：高压
理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大， 因此选择压强应符合实际科学技术。 2．温度：700K
理由：(1)因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。 (2)但是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 (3)催化剂要在一定温度下催化活性最大。
3．浓度：N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度
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B．降低压强 D．及时分离出氨气
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分析，在氮气和氢气的物质的量比为1∶3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为1∶2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。 4．催化剂：使用铁触媒作催化剂
理由：经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在700_K时活性最高。 [归纳总结] 合成氨的适宜条件
外部条件 压强 温度 催化剂 浓度 [活学活用] 3．合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)A．低温、高压、催化剂 B．高温、高压 C．尽可能的高温、高压 D．适宜的温度、高压、催化剂 【答案】D
4．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是( )
①不断将NH3分离出来 ②使用催化剂 ③采用700 K左右的高温 ④采用2×10～5×10 Pa的压强 A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ 【答案】B
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工业合成氨的适宜条件 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强 适宜温度，700 K左右 使用铁触媒作催化剂 N2和H2的物质的量比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去 2NH3(g) ΔH＜0，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是( )
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【学习小结】
【自我检测】
1．可以判断化学平衡发生移动的是( ) A．正、逆反应速率的改变 C．增大压强 【答案】D
2．一定量的混合气体，在密闭容器中发生如下反应：xA(g)＋yB(g)
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B．加入催化剂 D．反应转化率的改变
zC(g)，达到平衡后测得A气体的
浓度为0.5 mol·L，当恒温下将密闭容器的容积扩大到2倍再达到平衡后，测得A的浓度为0.2 mol·L
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，则下列叙述不正确的是( )
B．x＋y A．平衡向正反应方向移动 C．C的体积分数降低 【答案】C 3．在恒容密闭容器中，进行合成氨反应，达到平衡后，将平衡体系中的各物质的浓度都增加到原来的2倍，则产生的结果是( ) 最新最全精品教育资料
【K12教育学习资料】高中化学第2章化学反应的方向限度与速率2.4化学反应条件的优化——工业合成氨学
