高二《化学反应原理》
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
【学习目标】1、知道如何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。
2、初步学会应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。
【自主学习】
一、合成氨反应的限度 1、合成氨反应N2(g)+3H2(g)
2、合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)+3H2(g)
已知298 K时：△H=-92.2 kJ·mol-1△S=-198.2 J·K
2NH3(g)。
一1
2NH3(g)有什么特点(焓变、气体体积变化等)？
·mol
一1
(1)请你根据正反应的焓变和熵变分析计算298 K下合成氨反应能否自发进行。
(2)请你利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成。
二、合成氨反应的速率
已知在一定条件下，合成氨反应的速率与各物质的浓度关系为v＝kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)，而催化剂对合成氨反应的速率如下表，其中Ea为活化能。
条件 无催化剂 使用铁催化剂 Ea／kJ·mol1 335 167 一－
k(催)/k(无) 3.4×1012(700 K) 结合影响反应速率的因素,你认为通过哪些条件来提高合成氨反应的速率？ 【练习】
1、合成氨所需要的氢气可由煤与水反应制得，其中有如下反应：CO(g)＋H2O(g)＋H2(g)，△H﹤0. 欲提高CO的转化率可采用的方法是()
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
－
CO2(g)
2、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)c1.5(H2)c1(NH3)，下列条件不能加快反应速率的是( )
1
高二《化学反应原理》
A．加入催化剂 B．增大H2的浓度 C．升高温度
D．增大NH3的浓度
我的疑惑: 【合作探究】合成氨的适宜条件
根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率?请将你的建议填入下表。 外界条件 有利于增大速率的条件控制 有利于平衡的条件控制 综合分析结果 浓度 催化剂 温度 压强 【讨论】
1、既然增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好?
2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动,那么生产中是否温度越低越好?
3、在合成氨工业中要使用催化剂,既然催化剂对化学平衡的移动没有影响,为什么还要使用呢？
【当堂检测】
1．关于催化剂的叙述，正确的是
()
A．催化剂在化学反应前后性质不变
B．催化剂在反应前后质量不变，故催化剂不参加化学反应 C．反应物中的某些杂质能使催化剂失去活性，造成催化剂“中毒” D．催化剂可以提高反应物的转化率
2
高二《化学反应原理》
2．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时活性最大 A．只有①
B．①② C．②③④ D．①④
()
3．下列有关合成氨工业的说法中，正确的是
A. 合成塔出来的混合气体。其中氨气只占13%－14%，所以生产氨的工厂的效率都很低 B. 由于氨易液化，氮气、氢气是循环使用的，总体来讲氨的产率比较高 C. 合成氨反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正方向移动 D. 合成氨采用的压强是2×107~5×107Pa，因为该压强下催化剂铁的活性最大 4．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)的是 ( )
A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量 5. 有平衡体系CO(g)＋2H2(g)的正确措施是
()
A. 高温、高压 C. 低温、高压 6．在N2(g)＋3H2(g)
法正确的是
B. 适宜的温度、高压、催化剂 D. 高温、高压、催化剂
2NH3(g) ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说
()
CH3OH(g)，△H＜0。为了增加甲醇的日产量，应该采取
2M(g)ΔH＜0。下列有关该工业生产的说法正确
A．平衡正向移动 B．平衡逆向移动 C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的平衡转化率降低 7．可逆反应3H2(g) + N2(g)
2NH3(g)；△H＜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，降低压强，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 8、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( )
3
高二《化学反应原理》
A．①②③
B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④
催化剂△
9．(12分)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·mol1。(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(%)：
强压转化率温度 450 ℃ 550 ℃
(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___________________________。 (3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是___________________________________。 (4)在生产中，通入过量空气的目的是__________________________________________。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了________________。
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% 【自我反思与提升】
[[答案]]
一、1.反应特点：可逆反应，正向△H＜0，正向△n(g)＜0
2.(1)△H－T△S＝－92.2kJ·mol1＋298K×198.2J·K1·mol1＝－33.1kJ·mol1＜0，故该反应在298K时能自发进行。
(2)低温,高压有利于化学平衡正向移动.适当提高N2浓度有利于提高H2转化率。
4
－
－
－
－
高二《化学反应原理》
二、升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂 【练习】 1、C 2、 D 外界条件 有利于增大速率的条件控制 增大反应物的浓度 加合适的催化剂 高温 有利于平衡的条件控制 增大反应物的浓度，减小产物的浓度 不需要 低温 综合分析结果 不断的补充反应物，及时的分离出产物， N2 H2的物质的量之比1:2.8 铁做催化剂 700K,考虑速率，催化剂的适宜温度(活性) 在设备条件允许的前提下，尽量采压强 高压 高压 取高压(1×107~1×108Pa) 【讨论】1.温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大，对材料的压强和设备的制造要求越高，一般采用2×107~5×107Pa
2.从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温度过低反应速率很慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500℃左右的适宜温度(在此温度时催化剂的活性最大)。
3.为了加快反应速率，采用以铁为主的铁催化剂。
【当堂检测】1.C 2.D 3.B 4.D 5.B 6.A 7.D 8、B
9、[[答案]]：(1)常压、450 ℃、催化剂 (2)在此温度下催化剂的活性最高
(3)在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失
(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的转化率 (5)防止污染环境
浓度 催化剂 温度 5
高二化学反应原理优质学案1：2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨
