第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨-【暑假自学课】2025年新高二年级化学暑假提升精品讲义（鲁科版2019）

第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨 内容导航——预习四步曲 第一步：学 析教材 学知识：教材精讲精析、全方位预习 第二步：练 练习题 强方法：教材习题学解题、强化关键解题方法 练考点 会应用：核心考点精准练、快速掌握知识应用 第三步：记 串知识 识框架：思维导图助力掌握知识框架、学习目标复核内容掌握 第四步：测 过关测 稳提升：小试牛刀检测预习效果、查漏补缺快速提升 知识点1 合成氨反应的限度 1.反应原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 2.反应特点 （1）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 （2）可逆性：反应为可逆反应。 （3）熵变：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是放热反应。 3.影响因素 （1）外界条件：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）投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 【特别提醒】合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。 知识点2 合成氨反应的速率 1.提高合成氨反应速率的方法 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用 无影响 2.浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 知识点3 合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应适宜条件分析 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。 2.合成氨的适宜条件 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在700K左右 2 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择铁做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 3.合成氨的生产流程的三阶段 （1）造气 （2）净化 （3）合成氨 知识点4 工业生产中选择适宜生产条件的选择和优化 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 （1）分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。 （2）根据反应特点具体分析反应条件对速率和平衡的影响。 （3）从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。 2.工业合成氨生产条件的选择 （1）合成氨生产的要求。 ①反应要有较快的反应速率。 ②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。 （2）合成氨生产条件的选择依据。 ①化学反应速率和化学平衡原理的有关知识。 ②合成氨生产中的动力、材料、设备、生产成本等因素。 （3）选择合成氨生产条件的理论分析。 外界因素 理论分析 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 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） 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作催化剂 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 其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用 教材习题02（P81） 合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A．增大化学反应速率 B．提高平衡混合物中氨的含量 C．降低氨的沸点 D．提高氮气和氢气的利用率 解题方法 【解析】合成氨工业中氢气和氮气在催化剂作用下生成氨气的反应为可逆反应，反应后的混合气分离出氨气后还含有氢气和氮气，进行循环操作可以提高氮气和氢气的利用率，降低成本；与增大化学反应速率、提高平衡混合物中氨的含量、降低氨的沸点无必然关系；故选D。 【答案】D 教材习题03（P81） 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．使用铁触煤，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．700 K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 解题方法 【解析】使用催化剂，对平衡移动没有影响，不能用勒夏特列原理来解释，A项不符题意；合成氨反应是反应前后气体体积减小的反应，故加压有利于合成氨气，可用勒夏特列原理来解释，B项符合题意；合成氨反应为放热反应，高温不利于合成氨气，温度控制在700 K左右是考虑催化剂的活性，不能用勒夏特列原理来解释，C项不符合题意；循环操作可提高原料的利用率，不能用勒夏特列原理来解释，D项不符合题意。故选B。 【答案】B 考点一 工业合成氨条件的选择 1．下列关于合成氨的说法正确的是 A．适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B．升温会导致原料的平衡转化率降低 C．压强越大，合成氨的综合效益越好 D．铁触媒能减小该反应的焓变 【答案】B 【解析】当反应达到平衡时，延长反应时间，平衡不移动，平衡产率不变，故A错误；合成氨反应为放热反应，升温使平衡逆向移动，会导致原料的平衡转化率降低，故B正确；由反应特征可知，压强越大越有利于反应正向进行，但受设备材料、经济效益等因素的影响，不是压强越大综合效益越好，故C错误；铁触媒是催化剂，催化剂能降低反应的活化能、但不能改变该反应的焓变，故D错误；故选B。 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中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低 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400～500 ℃，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 【答案】B 【解析】合成氨的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，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃的温度，主要从反应速率和催化剂活性两方面考虑，合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，C项错误；不论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，因此选择10～30 MPa，D项错误。 3．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 【答案】C 【解析】催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。 考点二 工业合成氨工艺流程 4．合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是 A．合成氨选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，可提高反应的平衡转化率 B．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 C．为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理 D．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于氨气液化分离 【答案】A 【解析】氮气和氢气混合气体净化干燥后经过压缩机加压，进入热交换加热后在催化剂作用下发生反应生成氨气，再经过热交换后冷却分离出液态氨，未反应完的氮气和氢气可循环利用。合成氨反应为放热反应，选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，反应速率提高，但温度升高，平衡逆移，平衡转化率降低，A项错误；正反应为气体体积减小的方向，压缩机加压，反应速率增大，平衡正移，可以提高平衡转化率和反应速率，B项正确；原料气中的杂质可以使催化剂失去活性，为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理，C项正确；该反应为放热反应，热交换将氨气的热量转给N2和H2，目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离，D项正确；故选A。 5．氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意图如下。 下列有关合成氨说法正确的是 A．从合成氨平衡体系中分离出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 B．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 C．合成氨一般选择进行，铁触媒的活性最大，原料气平衡转化率高 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】B 【解析】从合成氨平衡体系中分离出氨气，减少了生成物的浓度，使平衡正向移动，但正反应速率和逆反应速率都减小，故A错误；热交换将氨气的热量转给氮气和氢气，目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于液化分离，故B正确；合成氨一般选择进行，主要是让铁触媒的活性最大，但该反应是放热反应，温度升高，原料气的平衡转化率降低，故C错误；步骤④是有利于铁触媒的活性最大，由于该反应是放热反应，升高温度，原料的平衡转化率降低，步骤⑤分离出氨气，有利于平衡正向移动，可以提高原料的转化率，故D错误；故选B。 考点三 工业生产中选择适宜生产条件的原则 6．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 【答案】B 【解析】A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，升高温度对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，正反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率影响相同，错误。 7．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 【答案】D 【解析】降温，平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在700 K左右；增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强；催化剂能增大反应速率，要选择催化剂，故D项符合题意。 8．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(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廉价易得，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】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。 考点四 工业制硫酸条件的选择 9.工业上制备硫酸的一步重要反应是在400～500℃下的催化氧化反应    △H＜0。下列有关说法错误的是 A.实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B.在实际生产中控制温度为400～500℃，温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 【答案】C 【解析】该反应是一个可逆反应，实际生产中，SO2、O2再循环使用提高原料利用率，A正确； 选择温度时，从速率考虑需要高温，但是该反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，原料的转化率降低，选择400-500℃既能提升反应速率，又能使催化剂有较高的活性，这是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果，B正确；在二氧化硫的催化氧化中，增大压强会增加成本，实际生产中采用的压强并不是越大越好，C错误；要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件，提高生产的效率降低生产的成本，D正确；故选C。 10.在硫酸工业中，使SO2氧化为SO3的反应为  。下表列出了恒容密闭容器中，在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率 B.尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率 C.在实际生产中，应选择的条件是450℃，10MPa D.在实际生产中，选定的温度为400-500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 【答案】C 【解析】容器为恒容刚性容器，充入与反应无关的气体，气体的浓度不变，转化率不变，A正确；SO2会造成酸雨，污染环境，尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，B正确；根据表格数据可知，450℃时二氧化硫的转化率比500℃时的高，虽然10MPa时转化率增大，但对设备要求高，故应选择450℃，5MPa，C错误；为了催化剂的活性最佳，温度选定为400~500℃，D正确；故选C。 知识导图记忆 知识目标复核 【学习目标】 1.能正确分析化学反应条件的选择和优化。 2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活中的实际问题。 【学习重难点】 1.温度、浓度、压强和催化剂对合成氨反应的影响。 2.根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速率和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。 1.下列关于合成氨的说法正确的是 A.适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B.升温会导致原料的平衡转化率降低 C.压强越大，合成氨的综合效益越好 D.铁触媒能减小该反应的焓变 【答案】B 【解析】当反应达到平衡时，延长反应时间，平衡不移动，平衡产率不变，故A错误；合成氨反应为放热反应，升温使平衡逆向移动，会导致原料的平衡转化率降低，故B正确；由反应特征可知，压强越大越有利于反应正向进行，但受设备材料、经济效益等因素的影响，不是压强越大综合效益越好，故C错误；铁触媒是催化剂，催化剂能降低反应的活化能、但不能改变该反应的焓变，故D错误；故选B。 2.合成氨工业在国民生产中有重要意义。工业上合成氨的反应为，下列说法错误的是 A.使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B.该反应的反应物的键能总和大于生成物的键能总和 C.通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度 D.在上述条件下，每消耗，同时生成 【答案】B 【解析】催化剂可以加快反应速率，缩短生产时间，提高生产效率，A正确；正反应放热，反应物断键吸收的总能量低于生成物成键放出的总能量，该反应的反应物的键能总和小于生成物的键能总和，B错误；通过调控反应条件，可以使化学平衡正向移动，提高反应进行的程度，C正确；当反应发生时，根据化学计量数可知，每消耗，同时生成2molNH3，D正确；故选B。 3.氨是一种重要的化工产品和化工原料，下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。 下列说法错误的是 A.R比较容易与反应 B.氧化炉中发生的反应为： C.向吸收塔中通入R气体，有利于提高硝酸的产率 D.工业生产中为了盛装大量浓硝酸，可选择铁作为罐体材料 【答案】B 【分析】合成塔中与反应生成氨气，氧化炉中氨气与单质R即氧气反应生成NO，NO与氧气、水在吸收塔中反应生成硝酸。 【解析】由流程可知，R为，根据元素周期律，比更易与反应，A项正确；由氨的催化氧化可知，氧化炉中发生反应：，B项错误；吸收塔中发生反应：，通入的与NO反应生成，继续与反应生成，有利于生成，C项正确；常温下，Fe遇浓生成发生钝化，生成致密的氧化物保护膜阻碍继续与金属Fe反应，D项正确；故选B。 4.对于工业合成氨的反应，下列措施有利于加快反应速率的是 A.降低温度 B.减小的浓度 C.及时抽走部分氢气 D.加入适宜的催化剂 【答案】D 【解析】降低温度，反应速率减慢，A不符合题意；减小的浓度，平衡逆向移动，但是由于反应物浓度减小，反应速率减慢，B不符合题意；及时抽走部分氢气，平衡逆向移动，但是反应物浓度减小，反应速率减慢，C不符合题意；加入适宜的催化剂，平衡不移动，可以加快反应速率，D符合题意；故选D。 5.下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A.达到平衡后，升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B.合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高、的转化率 C.合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 D.使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 【答案】B 【解析】工业合成氨为放热反应，升温平衡逆向移动，说明对逆反应的反应速率影响更大，A错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，B正确；增加一种反应物的浓度提高另一种物质的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可增加氮气的浓度，C错误；催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无响应，D错误；故选B。 6.如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率 C.为了提高原料的转化率，应及时将氨从混合气中分离出去 D.步骤③合成氨温度为500℃是因为该温度催化剂活性高且有利于提高原料平衡的转化率 【答案】D 【分析】N2和H2净化干燥除去杂质后，加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500℃并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用，据此分析判断。 【解析】步骤①中“净化”是除去杂质，以防止铁催化剂中毒，故A正确；合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，故B正确；在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移动，能保持足够高的原料转化率，故C正确；由图可知工业生产中，催化合成氨的反应温度为500℃，说明500℃是催化剂催化活性的最佳温度，但催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，故D错误；故选D。 7.合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A.增加反应速率 B.降低氨的沸点 C.提高平衡体系中氨的含量 D.提高原料的利用率 【答案】D 【分析】合成氨工业中氢气和氮气在催化剂作用下生成氨气的反应为可逆反应，反应后的混合气通过将氨液化后分离出氨气、还剩余氢气和氮气，将剩余的氮气和氢气进行循环操作，故可以提高氮气和氢气的利用率，降低成本。 【解析】增大浓度、升高温度、增大压强等可以提高化学反应速率，据分析，循环操作不能增加反应速率，A错误；沸点是物理性质是不会降低的，B错误；据分析，循环操作不能提高平衡体系中氨的含量，C错误；据分析，循环操作提高原料的利用率，D正确；故选D。 8.中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： 及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A.合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B.使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C.及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D.实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 【答案】C 【解析】合成塔中充入的氮气越多相当于增大氮气浓度，平衡向正反应方向移动，但氮气的转化率减小，故A错误；使用催化剂，化学反应速率加快，但平衡不移动，氨气的平衡产率不变，故B错误；及时分离出液氨，生成物氨气的浓度减小，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率增大，原料的利用率增大，故C正确；为提高合成氨的综合效益，实际生产中，常采用适宜高温、适宜高压的条件提高氨产率，故D错误；故选C。 9.合成氨工业采用下列措施是为了使平衡正向移动而提高反应物转化率的是 A.采用高温 B.采用高压 C.使用催化剂 D.以上均不对 【答案】B 【解析】合成氨的正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，不利于提高反应物转化率，A错误；增大压强，平衡向正反应方向移动，利于提高反应物转化率，B正确；催化剂的使用有利于加快反应速率，但平衡不移动，C错误；为提高原料的转化率，使平衡正向移动，可以采用高压，D错误；故选B。 10.对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，下列说法中错误的是 A.该反应在低温条件下能自发进行 B.工业合成氨在高温高压的条件下NH3的产率最高 C.工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性 D.增大压强，活化分子百分数不变，反应速率加快 【答案】B 【解析】由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，焓变小于0，ΔS<0，低温下自发，A项正确；合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NH3产率减小，B项错误； 工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性，500℃左右催化剂活性最强，C项正确；增大压强，体积减小，等于增大浓度，单位体积内活化分子数增多，但活化分子百分数不变，有效碰撞次数增多，反应速率加快，D项正确；故选B。 11.工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，下列关于工业合成氨条件选择的说法，正确的是 A.工业合成氨的反应是熵增的放热反应，在任何温度下都能自发进行 B.高温、高压均能缩短反应达到平衡所需时间，而只有高温有利于提高合成氨的产率 C.通过液化分离的方式不断移除产品，有利于增大反应平衡常数，促进反应正向进行 D.原料气进入合成塔之前，须经过干燥净化，以防止催化剂中毒 【答案】D 【解析】合成氨反应后气体物质的量减少，是熵减的放热反应，根据ΔG=ΔH-TΔS，低温时能自发进行，故A错误；高温、高压均能加快反应速率，缩短反应达到平衡所需时间，但合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，会降低合成氨的产率，故B错误；反应平衡常数只与温度有关，温度不变K值不变，故C错误；催化剂“中毒”是因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程，因此为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化，故D正确；故选D。 12.合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为：  。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是 A.增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则速率增大 B.实际生产温度主要由催化剂决定 C.在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越快 D.液化分离有利于合成氨 【答案】C 【解析】增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，从而使反应速率增大，A正确；实际生产温度主要由催化剂的最佳活性温度决定，B正确；在实际生产中温度过高，催化剂失活，化学反应速率会减慢，因此不是温度越高反应速率越快，C错误；液化分离，减小生成物浓度，化学平衡正向移动，有利于合成氨，D正确；故选C。 13.下列说法中正确的是 A.在合成氨中，为增加的转化率，充入的越多越好 B.在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保 C.工业合成氨的反应是、的反应，在任何温度下都可自发进行 D.合成氨反应选择在进行的重要原因是催化剂在左右时的活性最大 【答案】D 【解析】在合成氨中，多充入N2可增大H2的转化率，但H2转化率提高到足够高后，再充入N2对H2的转化率影响不大，但成本增加太多，不是充入的N2越多越好，故D错误；在工业生产条件优化时，不但要考虑经济性，还要考虑环保，不能只顾了生产而污染环境，故B错误；工业合成氨的反应是、的反应，在高温下不能自发进行，故C错误；合成氨反应选择在进行的重要原因是催化剂在左右时的活性最大，反应速率快，故D正确；故选D。 14.已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出；⑥补充或⑦加催化剂； A.③④⑤⑦ B.②④⑥ C.仅②⑥ D.②③⑥⑦ 【答案】C 【分析】合成氨反应，该反应的特点为：正反应放热且气体分子数减小；据此分析。 【解析】①减压，反应速率减慢，平衡逆向移动，的产率减小，①不可采取； ②加压，反应速率加快，平衡正向移动，的产率增大，②可采取； ③升温，反应速率加快，平衡逆向移动，的产率减小，③不可采取； ④降温，反应速率减慢，平衡正向移动，的产率增大，④不可采取； ⑤及时从平衡混合气中分离出，反应速率减慢，平衡正向移动，的产率增大，⑤不可采取； ⑥补充N2或H2，反应速率加快，平衡正向移动，的产率增大，⑥可采取； ⑦加催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，的产率不变，⑦不可采取；故选②⑥；故选C。 15.下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C.步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 D.步骤③、④均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】A 【分析】加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500℃并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用。 【解析】步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒，故A正确；合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，故B错误；催化剂的活性受温度影响，一定温度范围内，催化剂活性最佳，而不是温度越高越大，故C错误；催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，合成氨反应为放热反应，高温不利于平衡正向移动，而液化分离出NH3和N2、H2的循环再利用均可以使平衡正向移动，所以步骤④、⑤有利于提高原料平衡的转化率，步骤③不利于提高原料的平衡转化率，故D错误；故选A。 16.下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A.合成氨工业温度选择为450℃左右，主要是为了提高NH3产率 B.使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 C.合成氨生产过程中将NH3液化分离，不能提高反应物的转化率 D.合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度 【答案】D 【解析】合成氨反应为放热反应，温度较高不利于提高NH3产率，因此合成氨工业温度选择为450℃左右，主要是为了提高反应速率，A错误；施加高压即增大压强，化学平衡正移，因此对化学平衡状态有影响，B错误；减少生成物的浓度平衡正向移动，因此将NH3液化分离，可以提高反应物的转化率，C错误；增加一种反应物的浓度，平衡正向移动，则另一种反应物的转化率提高，因此合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度，D正确；故选D。 17.工业上合成氨时一般采用左右的温度，其原因是 ①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在时活性最大 A.只有① B.①② C.②③④ D.①④ 【答案】D 【分析】由，可知合成氨为放热的反应，升高温度可加快反应速率，但平衡逆向移动，且温度太高易使催化剂失去活性，以此来解答； 【解析】适当提高氨的合成速率、催化剂在770K左右时活性最大，该温度下转化率已经较高，不考虑转化率及产率；所以①④说法正确；故选D。 18.中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A.合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B.使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C.及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D.实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 【答案】C 【分析】制取原料气主要含有N2、H2，以及CO等杂质气体，净化时，除去杂质气体，防止催化剂中毒，将N2、H2经压缩机压缩成高压气体，在合成塔中发生反应：，及时分离出液氨，促进平衡正向移动，据此分析解题。 【解析】合成塔中充入的氮气越多相当于增大氮气浓度，平衡向正反应方向移动，但氮气的转化率减小，故A错误；使用催化剂，化学反应速率加快，但平衡不移动，氨气的平衡产率不变，故B错误；及时分离出液氨，生成物氨气的浓度减小，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率增大，原料的利用率增大，故C正确；为提高合成氨的综合效益，实际生产中，常采用适宜高温、适宜高压的条件提高氨产率，故D错误；故选C。 19.有关合成氨工业的说法正确的是 A.增大H2的浓度，可提高H2的转化率 B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在700 K，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10~30 MPa，因为该压强下铁的活性最大 【答案】B 【解析】增大H2的浓度，H2的转化率减小，氮气转化率升高，A错误；氨易液化，分离出N2、H2在实际生产中可循环使用，提高原料利用率，B正确；温度控制在700K主要是为了兼顾速率与平衡，且500℃时催化剂活性最大，C错误；压强越大，越有利于反应正向进行，压强采用10~30MPa主要是考虑对设备材料的要求，D错误；故选B。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第08讲 化学反应条件的优化——工业合成氨 内容导航——预习四步曲 第一步：学 析教材 学知识：教材精讲精析、全方位预习 第二步：练 练习题 强方法：教材习题学解题、强化关键解题方法 练考点 会应用：核心考点精准练、快速掌握知识应用 第三步：记 串知识 识框架：思维导图助力掌握知识框架、学习目标复核内容掌握 第四步：测 过关测 稳提升：小试牛刀检测预习效果、查漏补缺快速提升 知识点1 合成氨反应的限度 1.反应原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 2.反应特点 （1）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能 进行。 （2）可逆性：反应为 反应。 （3）熵变：ΔS<0，正反应是气体体积 的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是 反应。 3.影响因素 （1）外界条件： 温度、 压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。 （2）投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。 【特别提醒】合成氨反应中，为了提高原料转化率，常采用将未能转化的N2、H2循环使用的措施。 知识点2 合成氨反应的速率 1.提高合成氨反应速率的方法 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 温度 催化剂 2.浓度与合成氨反应速率之间的关系 在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由速率方程可知：增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 【特别提醒】温度升高k值增加，会加快反应速率；同时加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高。 知识点3 合成氨生产的适宜条件 1.合成氨反应适宜条件分析 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，提高单位时间内的产量，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 序号 影响因素 选择条件 1 温度 反应温度控制在 左右 2 物质的量 N2、H2投料比 3 压强 1×107～1×108 Pa 4 催化剂 选择 做催化剂 5 浓度 使气态NH3变成液态NH3并及时分离出去，同时补充N2、H2 3.合成氨的生产流程的三阶段 （1） （2） （3）合成氨 知识点4 工业生产中选择适宜生产条件的选择和优化 1.工业生产中选择适宜生产条件的原则 （1）分析化学反应的特点：从 性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。 （2）根据反应特点具体分析反应条件对 和 的影响。 （3）从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的反应条件。 2.工业合成氨生产条件的选择 （1）合成氨生产的要求。 ①反应要有 的反应速率。 ②要最大 地提高平衡混合物中NH3的含量。 （2）合成氨生产条件的选择依据。 ①化学反应 和化学 原理的有关知识。 ②合成氨生产中的 、 、设备、生产成本等因素。 （3）选择合成氨生产条件的理论分析。 外界因素 理论分析 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 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） 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作催化剂 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 其他 为提高平衡转化率，工业合成采用的原料循环利用 教材习题02（P81） 合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A．增大化学反应速率 B．提高平衡混合物中氨的含量 C．降低氨的沸点 D．提高氮气和氢气的利用率 解题方法 教材习题03（P81） 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．使用铁触煤，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．700 K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 解题方法 考点一 工业合成氨条件的选择 1．下列关于合成氨的说法正确的是 A．适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B．升温会导致原料的平衡转化率降低 C．压强越大，合成氨的综合效益越好 D．铁触媒能减小该反应的焓变 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中，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低 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400～500 ℃，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 3．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 考点二 工业合成氨工艺流程 4．合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是 A．合成氨选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，可提高反应的平衡转化率 B．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 C．为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理 D．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于氨气液化分离 5．氨对发展农业有着重要意义，也是重要的化工原料。合成氨的生产流程示意图如下。 下列有关合成氨说法正确的是 A．从合成氨平衡体系中分离出，可提高正反应速率，减小逆反应速率，平衡正移 B．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温利于液化分离 C．合成氨一般选择进行，铁触媒的活性最大，原料气平衡转化率高 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 考点三 工业生产中选择适宜生产条件的原则 6．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 7．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，该反应应采取的适宜条件是(　　) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、高压、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．适宜的温度和压强、催化剂 8．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)M(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廉价易得，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 考点四 工业制硫酸条件的选择 9.工业上制备硫酸的一步重要反应是在400～500℃下的催化氧化反应    △H＜0。下列有关说法错误的是 A.实际生产中，、再循环使用提高原料利用率 B.在实际生产中控制温度为400～500℃，温度过低速率慢，温度过高转化率低 C.为提高反应速率和平衡时的转化率，实际生产中采用的压强越大越好 D.要综合考虑影响速率与平衡的各种因素、设备条件和经济成本等，寻找适宜的生产条件 10.在硫酸工业中，使SO2氧化为SO3的反应为  。下表列出了恒容密闭容器中，在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 500℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A.通入适当过量的氧气，既有利于提高反应速率，又有利于增大SO2的转化率 B.尾气中的SO2需要回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率 C.在实际生产中，应选择的条件是450℃，10MPa D.在实际生产中，选定的温度为400-500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳 知识导图记忆 知识目标复核 【学习目标】 1.能正确分析化学反应条件的选择和优化。 2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活中的实际问题。 【学习重难点】 1.温度、浓度、压强和催化剂对合成氨反应的影响。 2.根据化学反应的特点和外部条件来选择适宜的反应条件，以及如何利用化学反应速率和化学平衡理论来解释实际生产中的问题。 1.下列关于合成氨的说法正确的是 A.适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B.升温会导致原料的平衡转化率降低 C.压强越大，合成氨的综合效益越好 D.铁触媒能减小该反应的焓变 2.合成氨工业在国民生产中有重要意义。工业上合成氨的反应为，下列说法错误的是 A.使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B.该反应的反应物的键能总和大于生成物的键能总和 C.通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度 D.在上述条件下，每消耗，同时生成 3.氨是一种重要的化工产品和化工原料，下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。 下列说法错误的是 A.R比较容易与反应 B.氧化炉中发生的反应为： C.向吸收塔中通入R气体，有利于提高硝酸的产率 D.工业生产中为了盛装大量浓硝酸，可选择铁作为罐体材料 4.对于工业合成氨的反应，下列措施有利于加快反应速率的是 A.降低温度 B.减小的浓度 C.及时抽走部分氢气 D.加入适宜的催化剂 5.下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A.达到平衡后，升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B.合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高、的转化率 C.合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 D.使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 6.如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率 C.为了提高原料的转化率，应及时将氨从混合气中分离出去 D.步骤③合成氨温度为500℃是因为该温度催化剂活性高且有利于提高原料平衡的转化率 7.合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A.增加反应速率 B.降低氨的沸点 C.提高平衡体系中氨的含量 D.提高原料的利用率 8.中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： 及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A.合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B.使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C.及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D.实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 9.合成氨工业采用下列措施是为了使平衡正向移动而提高反应物转化率的是 A.采用高温 B.采用高压 C.使用催化剂 D.以上均不对 10.对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，下列说法中错误的是 A.该反应在低温条件下能自发进行 B.工业合成氨在高温高压的条件下NH3的产率最高 C.工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性 D.增大压强，活化分子百分数不变，反应速率加快 A.工业合成氨的反应是熵增的放热反应，在任何温度下都能自发进行 B.高温、高压均能缩短反应达到平衡所需时间，而只有高温有利于提高合成氨的产率 C.通过液化分离的方式不断移除产品，有利于增大反应平衡常数，促进反应正向进行 D.原料气进入合成塔之前，须经过干燥净化，以防止催化剂中毒 12.合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为：  。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是 A.增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则速率增大 B.实际生产温度主要由催化剂决定 C.在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越快 D.液化分离有利于合成氨 13.下列说法中正确的是 A.在合成氨中，为增加的转化率，充入的越多越好 B.在工业生产条件优化时，只考虑经济性就行，不用考虑环保 C.工业合成氨的反应是、的反应，在任何温度下都可自发进行 D.合成氨反应选择在进行的重要原因是催化剂在左右时的活性最大 14.已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出；⑥补充或⑦加催化剂； A.③④⑤⑦ B.②④⑥ C.仅②⑥ D.②③⑥⑦ 15.下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒 B.步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C.步骤③中反应温度越高催化剂活性越大 D.步骤③、④均有利于提高原料的平衡转化率 16.下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A.合成氨工业温度选择为450℃左右，主要是为了提高NH3产率 B.使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 C.合成氨生产过程中将NH3液化分离，不能提高反应物的转化率 D.合成氨工业中为了提高氢气的转化率，可适当增加氮气浓度 17.工业上合成氨时一般采用左右的温度，其原因是 ①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率③提高氨的产率④催化剂在时活性最大 A.只有① B.①② C.②③④ D.①④ 18.中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A.合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B.使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C.及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D.实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 19.有关合成氨工业的说法正确的是 A.增大H2的浓度，可提高H2的转化率 B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在700 K，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10~30 MPa，因为该压强下铁的活性最大 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$