第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
[课标要求]
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。
1．N2(g)＋3H2
3
(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol。理论上增大
－1
反应物浓度和增大压强及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。 2．升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。 3．结合实际生产，合成氨一般选择铁做催化剂，控制反应温度700 K 左右，高压且n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。
合成氨反应的限度
1．反应原理 N2(g)＋3H2
－1
3
－1
(g) 298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol ΔS＝－198.2 J·mol
·K。 2．反应特点 合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。 3．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
－1
量最高。
1．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理解释的是( ) A．使用铁触媒，有利于N2和H2反应合成氨 B．高压比常压条件更有利于合成氨反应 C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨反应
D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
解析：选B 催化剂不影响平衡移动；合成氨反应的正反应是气体分子数减小的反应，高压条件有利于平衡正向移动；工业合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度后确定的；采用循环操作与平衡移动无关。
2．利用原料气在合成塔中合成氨时，为提高N2的转化率所采取的措施是( ) A．高温 C．使用催化剂
B．高压
D．增大N2的浓度
解析：选B 提高N2的转化率应使平衡向右移动，使用催化剂对平衡无影响，升高温度平衡向左移动，高压和增大N2的浓度平衡向右移动，但增大N2的浓度，N2的转化率会 降低。
合成氨反应的速率及适宜条件的选择
1．外界条件对速率的影响 (1)浓度
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)，由关系式可知，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。
(2)催化剂
使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。 (3)温度
温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。 (4)压强 压强越大，反应进行得越快。 2．合成氨反应条件的选择依据
工业生产中，必须从反应速率和反应限度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转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
提高反应的平衡转化率 性质 放热 措施 低温 提高化学反应速率 性质 活化能高 措施 使用合适 的催化剂
2
分子数减小 高压 原料循 环利用 低温时反 应速率低 原料气浓度增大 能提高反应速率 氨气浓度增加 能降低反应速率
高温 增大原 料气浓度 分离氨 反应可逆 (1)升高温度能提高化学反应速率，但工业合成氨温度不能太高的主要原因是什么？ 提示：温度太高，催化剂活性减弱。
(2)工业合成氨中为达到最大平衡转化率，反应物的投料n(N2)∶n(H2)＝？ 提示：n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。
实际生产中合成氨的适宜条件
1．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。
2．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)。
3．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做催化剂。
4．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。
5．为提高平衡转化率，工业合成采用原料的循环利用。
1．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是( ) A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响
B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响 D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果 解析：选C 对于反应N2(g)＋3H2
3
(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩
短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。
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
3
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：选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，故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，故D项错误。
3．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 C．②⑤
B．②③④⑦⑧ D．②③⑤⑥⑧
解析：选C 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，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，因此符合要求的是②⑤。
[三级训练·节节过关]
1．在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v＝kc(N2)·c(H2)·c1
1.5
－
(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是( )
A．加入催化剂 C．升高温度
B．增大H2的浓度 D．增大NH3的浓度
解析：选D 加入催化剂、升高温度均能加快反应速率，由速率方程知增大H2的浓度反应速率加快，增大NH3的浓度速率减慢。
2．合成氨工业上采用了循环操作，主要原因是( ) A．加快反应速率 C．降低NH3的沸点
B．提高NH3的平衡浓度 D．提高N2和H2的利用率
解析：选D 合成氨反应是可逆反应，采取循环操作的主要目的是提高N2和H2的利 用率。
4
3．工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是( )
①适当提高氨的合成速率 ②提高H2的转化率 ③提高氨的产率 ④催化剂在700 K时活性最高
A．只有① C．②③④
B．①② D．①④
解析：选D 合成氨反应为放热反应，温度升高，转化率降低，但反应速率加快，同时要考虑催化剂的活性。
4．在合成氨工业中，下列措施不能使化学平衡向右移动的是( )
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 C．①③
B．②③ D．②④
7
7
解析：选B ①减小生成物浓度，有利于化学平衡向正反应方向移动，所以不断将氨气分离出来有利于化学平衡向右移动；②使用催化剂能同等程度地加快正、逆反应速率，不能改变化学平衡，所以平衡不移动；③由于合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度平衡向左移动，所以采用700 K左右的高温，不利于化学平衡向右移动；④由于合成氨反应的正反应为气体分子数减小的反应，故增大压强有利于平衡向右移动。综上所述，②③不能使化学平衡向右移动。
5．已知工业合成氨N2(g)＋3H2
3
(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________。
解析：(1)t2时刻正反应速率瞬间增大，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时刻速率变大，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小后平衡正向移动，应是降低了温度。
(2)三段式计算：
N2(g)＋3H2起始物质的量
5
3
(g)
2017-2024学年高中化学 第二章 化学反应的方向、限度与速率 第四节 化学反应条件的优化——工
