第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-【金版教程】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1创新导学案word（鲁科版2019）

新教材·化学 选择性必修1［L］ 第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 合成氨反应的限度 1.反应原理 N2（g）＋3H2（g）2NH3（g） 298 K时ΔH＝－92.2 kJ·mol－1　ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 2.反应特点 （1）可逆反应，氮气分子结构稳定，对反应条件要求较高。 （2）由反应方程式中反应物和反应产物的系数关系可知，该反应是气体的物质的量减小的反应。 （3）根据ΔH（298 K）＝－92.2 kJ·mol－1<0知，该反应是放热反应。 （4）根据ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1知，该反应是熵减小的反应。 （5）根据ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×（－198.2×10－3 kJ·K－1·mol－1）≈－33.1 kJ·mol－1<0，故该反应在298 K下可自发进行。 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量最高。 合成氨反应的速率 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。 合成氨的适宜条件 1.合成氨条件的选择原则 （1）尽量增大反应物的平衡转化率，充分利用原料。 （2）选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。 （3）考虑设备和技术条件。 2.合成氨的适宜条件 反应 条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中氨的含量的影响 合成氨条件的选择 增大 压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡混合物中氨的含量 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等要求高，因此，工业上一般采用1×107～1×108 Pa的压强 升高 温度 有利于增大 化学反应速率 不利于提高平衡混合物中氨的含量　 合成氨时温度要适宜。工业上一般控制温度在700 K左右，并且在这个温度时，铁催化剂的活性最大 增大反应物浓度 有利于提高 反应速率 N2和H2的浓度之比为1∶3时，平衡转化率最高 实验表明N2和H2的浓度比为1∶2.8时，更能促进合成氨的进行。工业上通常用N2与H2物质的量之比为1∶2.8的比例投料，并且及时分离出NH3，促使平衡正向移动 使用催化剂 有利于增大 化学反应速率 没有影响 工业上一般选择铁做催化剂，使反应能在较低温度下较快进行 1.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是（　　） A.使用铁触媒作催化剂，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 答案　B 解析　催化剂不影响平衡移动，A错误；合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、平衡转化率及催化剂的活性温度，C错误；采用循环操作与平衡移动无关，D错误。 2.合成氨工业上采用循环操作主要是因为（　　） A.加快化学反应速率 B.能提高氨的平衡浓度 C.降低氨气的沸点 D.提高氮气和氢气的利用率 答案　D 3.关于工业合成氨的叙述中，错误的是（　　） A.在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行 B.温度越高越有利于工业合成氨 C.在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本 D.及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动 答案　B 解析　合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。 4.对于可逆反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），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平衡转化率 D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小 答案　C 解析　达到平衡后，加入N2，平衡正向移动，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错误；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡逆向移动，不利于NH3的生成，B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，平衡正向移动，又有利于提高H2的平衡转化率，C正确；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间，D错误。 5.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： 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 答案　D 解析　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，因此答案选D。 6.合成氨反应为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，K＝6.6×105 mol－2·L2。 （1）从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 （2）温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用700 K，不采用低温操作的理由是 ________________________________________________________________。 （3）试分析实际生产中，温度采取700 K左右的原因是_____________________________________________________________________。 答案　（1）为了加快化学反应速率，提高单位时间的产量 （2）温度低时反应速率小，单位时间内NH3的产量低 （3）温度升高，不利于提高反应物的平衡转化率，温度过低，反应速率小，单位时间内NH3的产量低，并且在此温度时，催化剂的活性最大 探究　合成氨工业生产中选择适宜条件的基本思路 　（1）从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变、反应的方向四个角度分析反应的特点。 （2）根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和限度的影响；从反应速率和限度的角度综合分析，再充分考虑实际情况，选择适宜的外界条件。 （3）工业生产中化学反应条件优化的理论依据 外界 条件 有利于使反应速率增大的条件的控制 有利于平衡移动的条件的控制 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 不断补充反应物、及时分离出反应产物 外界 条件 有利于使反应速率增大的条件的控制 有利于平衡移动的条件的控制 综合分析结果 催化 剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾反应速率和化学平衡，考虑催化剂的适宜温度 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 知识拓展 化学反应条件选择的基本原则 化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产中起着重要作用，在实际生产中应当运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡移动规律，既考虑反应进行的快慢，又考虑反应的限度，在这个过程中还要坚持以下三个原则： （1）既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性——解决一定时间内的高产量问题。 （2）既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的要求。 （3）既要注意理论上的需要，又要考虑实际生产的可能性——技术设备以及工业利润问题。 1.下列有关合成氨工业的说法中正确的是（　　） A.铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 B.升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动 C.增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间，所以压强越大越好 D.合成氨采用的温度是700 K左右，因为在该温度下能适当提高氨的合成速率，且催化剂活性较强 答案　D 解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡发生移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B错误；增大压强，反应速率加快，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，C错误；合成氨反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，平衡转化率降低，但反应速率加快，同时要考虑催化剂的活性温度，D正确。 2.合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。 工业合成氨生产示意图如图所示。 （1）X的化学式为　　　　　。 （2）图中条件选定的主要原因是　　　　（填字母编号）。 A.温度、压强对化学平衡的影响 B.铁触媒在该温度时活性大 C.工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 （3）改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随 条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是　　　　，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是　　　　（填字母编号）。 答案　（1）NH3 （2）BC（3）c  a 解析　（1）原料气N2和H2经一定条件下的反应，生成的NH3（X）冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2和H2（Y）进行循环利用。 （2）图中温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20～50 MPa是从化学平衡理论分析的，压强增大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。 本课小结 课时作业 一、选择题（每小题只有一个选项符合题意） 1.在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是（　　） A.升高温度 B.减小压强 C.使用催化剂 D.及时分离出氨气 答案　D 2.合成氨工业中，常加热至500 ℃，对比下列有关叙述，正确的是（　　） A.为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间 B.加快正反应速率，减小逆反应速率 C.使平衡向合成氨的方向移动 D.提高原料转化率 答案　A 3.可逆反应3H2（g）＋N2（g）2NH3（g） ΔH<0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采取的措施都正确的是（　　） 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 答案　D 4.在特定条件下，合成氨反应的速率与有关物质的浓度存在关系式v＝kc（N2）c1.5（H2）·c－1（NH3），为加快反应速率而采取的下列措施中不正确的是（　　） A.增大N2和H2的浓度 B.升高温度 C.使用催化剂 D.增大NH3的浓度 答案　D 解析　由速率关系式可知，增大N2和H2的浓度，减小NH3的浓度，可加快反应速率；而升高温度、使用催化剂均可加快反应速率。 5.合成氨的反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）'ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，下列说法正确的是（　　） A.升高温度有利于提高氮气的转化率 B.一定条件下，取3 mol氢气和1 mol氮气放在密闭容器中进行反应，放出的热量为92.2 kJ C.增加反应体系中氢气的量，化学平衡常数不改变，但可以提高氮气的转化率 D.使用催化剂有助于改变化学平衡常数K，提高氨的产率 答案　C 解析　反应放热，升高温度使平衡逆向移动，氮气的转化率降低；由于该反应是可逆反应，反应物不可能完全转化为反应产物，故3 mol氢气和1 mol氮气反应时，放出的热量小于92.2 kJ；增加氢气的量，平衡正向移动，氮气的转化率提高，但对于一个给定的化学反应，化学平衡常数K只受温度的影响；使用催化剂不能改变化学平衡常数K，氨的产率不变。 6.一定条件下，合成氨反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0%，与反应前的体积相比，反应后体积缩小的百分率是（　　） A.16.7% B.20.0% C.80.0% D.83.3% 答案　A 解析　N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔV 2 2 设反应后气体总体积为V，V（NH3）＝ΔV＝0.2V，则反应前的体积为V＋ΔV＝1.2V，反应后体积缩小的百分率是×100%≈16.7%。 7.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。据图分析，则合成氨工业最有 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 答案　C 解析　由图可知，φ（NH3）随着温度的升高而显著下降，故要提高φ（NH3）必须降低温度，但目前所用的催化剂——铁触媒，其活性较好时的温度在700 K左右，所以合成氨工业最有前途的研究方向为研制低温催化剂。 8.已知可逆反应：aA（g）＋bB（？）cC（g）　ΔH＞0（B物质的状态未确定）。关于该反应的描述正确的是（　　） A.加压若平衡正向移动，则a＞c B.加入一定量的B，平衡一定正向移动 C.缩小容器的体积，各物质的浓度一定增大 D.升高温度，平衡一定正向移动，混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定 答案　D 解析　增加压强，对于反应前后气体的系数和变化的反应来说，会引起平衡的移动，但是B的状态不确定，所以系数大小无法判断，故A错误；加入一定量的B，若B是固体或纯液体，平衡不移动，故B错误；缩小容器的体积，对于固体物质来说，浓度不变，即缩小容器的体积，各物质的浓度不一定增加，故C错误；升高温度，平衡一定向吸热方向移动，即正向移动，混合气体的平均摩尔质量等于质量和物质的量的比值，但是B的状态以及a、b、c不确定，所以混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定，故D正确。 9.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%，所以合成氨工厂的效率都很低 B.由于氨易液化，容易分离，N2、H2在实际生产中可循环使用，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.合成氨工厂采用铁触媒作催化剂，是为了提高反应物的转化率 答案　B 解析　合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，虽然原料的转化率不高，但将生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率提高，因为忽视了工业生产中采取了循环操作而错选A；合成氨工业选择700 K左右的温度，主要是从反应速率和催化剂活性两方面考虑，忽视了合成氨反应正向放热，低温才有利于平衡向正反应方向移动而错选C；忽视了催化剂不能使平衡移动而错选D。 10.某工业生产中发生反应：2A（g）＋B（g）2M（g） ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是（　　） 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 答案　D 解析　压强的选择要综合考虑多种因素，不一定采用高压条件；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。 11.（2021·河南省名校高三联考）利用I2O5可消除CO污染，其反应原理为I2O5（s）＋5CO（g）5CO2（g）＋I2（s）。在不同温度（T1、T2）下，向装有足量I2O5固体的2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO，测得反应体系中CO2的体积分数φ（CO2）随时间t的变化曲线如图所示。下列说法错误的是（　　） A.由图分析可知T1＞T2 B.温度为T2时，0～0.5 min内，用CO表示的该反应的平均反应速率v（CO）＝0.6 mol·L－1·min－1 C.b点时，CO的转化率为80% D.反应达到平衡后，保持温度不变，将CO2从反应体系中移走可提高CO的转化率 答案　A 解析　由题图可知温度为T2时反应先达到平衡状态，根据“先拐先平数值大”可知，T1＜T2，A错误；设0～0.5 min内CO转化了x mol，则反应0.5 min时CO的物质的量为（2－x） mol，CO2的物质的量为x mol，则＝0.30，解得x＝0.6，即0～0.5 min内v（CO）＝＝0.6 mol·L－1·min－1，B正确；设b点时CO转化了y mol，则平衡时CO、CO2的物质的量分别为（2－y） mol和y mol，则＝0.80，解得y＝1.6，即b点时CO的转化率为×100%＝80%，C正确；反应达到平衡后，将CO2从体系中移走，生成物浓度减小，促使平衡正向移动，可提高CO的转化率，D正确。 二、非选择题 12.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＝－197.8 kJ·mol－1（已知制备SO3过程中的催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好）。 不同温度和压强下SO2的平衡转化率如表所示。 （1）从理论上分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可采取的措施是_____________________________________________________________________。 （2）实际生产中采用400～500 ℃作为操作温度，除考虑反应速率因素外，还考虑到　　　　　　　　　　　　　　　　。 （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________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________。 答案　（1）降温、加压、增大O2浓度 （2）在此温度下催化剂的活性最高 （3）在常压下450 ℃时，SO2的平衡转化率（97.5%）就已经很高了，若采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比起高压设备的高额造价，得不偿失 （4）增大反应物O2的浓度，提高SO2的平衡转化率 7 学科网（北京）股份有限公司 $$