第07讲 工业合成氨（暑假预习讲义）新高二化学沪科版

第07讲 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 知识点一 合成氨适宜生产条件的选择 一、合成氨适宜生产条件的选择 1. 理论分析： （1）在温度一定时， 有利于提高平衡混合物中氨的含量；在压强一定时， 有利于提高平衡混合物中氨的含量。 （2）升高温度、增大压强及使用催化剂等都可以使合成氨的化学反应速率增大。 2. 综合分析实际选择： （1）催化剂的选择：合成氨工业要求催化剂具有活性强、机械强度高、不易中毒、容易制备、价格低廉等特点，目前公认的最适当的催化剂是 催化剂。 （2）温度的选择：在兼顾反应速率和反应限度两个因素的同时，考虑到铁催化剂的活性温度，一般选择在 左右的温度。 （3）压强的选择：高压既能使平衡正向移动，也能加快反应速率，但受动力、材料、设备等条件限制，一般采用的压强是 。 （4）反应物和生成物浓度的影响：①将氨液化分离后的原料气循环使用，②及时补充氮气和氢气，③维持氢氮比为 。 （5）合成氨适宜条件汇总 知识点二 工业合成氨的生产流程 二、工业合成氨的生产流程 合成氨的工业生产主要包括造气、净化与合成三个步骤。 1. 造气 原料气中氮气来自 ，氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。 （1）方法一：空气液化法；方法二：用碳除氧法。 (2) H2来源于水和燃料 C + H2OCO + H2；CO + H2O(g)CO2 + H2。 H2 + 水蒸气CO2 + H2H2 CH4CO + H2CO2 + H2 除去杂质后将N2、H2的混合气体用压缩机压缩至高压。 2. 净化 在制取原料气的过程中，常混有一些杂质气体，其中如 等杂质会使合成氨所用的催化剂中毒，所以必须除去。 3. 合成 从合成塔出来的混合气体中氨含量为10% ～ 20%，需要将产品氨与未反应的 H2、N2 分离，将未反应的 H2、N2 作为循环气再返回 。合成氨反应为放热反应，可通过 有效利用此反应热来预热反应前的 H2、N2，降低合成氨的成本。 教材习题02（P52） 2. 工业合成氨时，采用氮氢循环操作的主要目的是（　　）。 （A） 加快反应速率 （B） 提高氨气的平衡浓度 （C） 降低氨气的沸点 （D） 提高N2和H2的利用率 解题方法 工业合成氨条件的选择包括温度、浓度、氮氢比、催化剂的选择，氨的分离，以及氮氢循环等，所以答题时一定要看清考查的具体内容。 【答案】 教材习题03（P52） 3. 合成氨工业有下列生产流程：① 原料气制备；② 氨的合成；③ 原料气净化和压缩；④ 氨的分离。其先后顺序为（　　）。 （A） ①②③④ （B） ①③②④ （C） ④③②① （D） ②③④① 解题方法 工业制备的基本生产流程为：1.原料的制备；2.原料的除杂和净化；3.产品的制备；4.产品的分离及原料的循环利用等。 【答案】 考点一 合成氨适宜生产条件的选择 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．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．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 4．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 考点二 工业合成氨的生产流程 5．工业合成氨的反应为，其工艺如图所示。下列措施能提高N2平衡转化率的是 ①干燥净化“原料气”②采用“10MPa~30MPa”③“热交换”分离热量④“冷却”分离液氨⑤使用“铁触媒” A．②③④ B．①④⑤ C．①②③ D．③④⑤ 6．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 7．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 8．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 知识导图记忆 知识目标复核 【学习目标】 1.通过对工业合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡理论在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2.在合成氨适宜生产条件的确定中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路和方法，体会实际生产条件的选择与理论分析之间的差异。 3.知道工业合成氨的主要步骤和生产流程，进一步认识化工生产。 【学习重难点】 合成氨条件的选择 一、单选题 1．合成氨反应： 下列说法不正确的是 A．该反应，升高温度，反应速率增大 B．对原料气需进行净化处理，防止催化剂中毒 C．生产中采用循环操作主要是为了增大化学反应速率 D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比有利于提高的平衡转化率 2．对于工业合成氨反应，采取下列反应条件不是为了提高氨气的平衡产率的是 A．将氨液化移出 B．投料时，稍微过量 C．不选择常温，而选择温度为 D．不选择常压，而选择压强为 3．硝酸是重要的化工原料。下图为制硝酸的流程示意图。 下列说法正确的是 A．流程中，、和NO作反应物时，均作还原剂 B．合成塔中高温、高压的反应条件均是为了提高的平衡产率 C．吸收塔中通入空气的目的是提高NO的转化率 D．可选用铜作为盛装液氨和浓硝酸的罐体材料 4．下列关于工业合成氨的说法正确的是 A．工业合成氨采用10～30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 B．选择不同的催化剂会改变此反应△H的数值 C．合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率 D．合成氨工业中液化分离出氨，提高产率 5．工业合成氨发生的反应为N2(g)+3H2 (g)⇌2NH3 (g)  ΔH < 0。其中丙图是恒温恒容条件下，t1时刻加入H2的变化图，且每个图像的自变量只有一个。下列图像不符合实际的是 A．B．C． D． 6．一定条件下，将和按物质的量之比为3：1充入密闭容器中发生反应：。测得不同压强下，达到化学平衡时氨的物质的量分数()随温度变化如下图： 下列说法错误的是 A．压强： B．速率：b<a C．a点时，的转化率约为33% D．虚线表示条件下充入He后的图像 7．下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．高温、高压都能缩短反应达到平衡状态的耗时，而只有高温有利于提高合成氨的产率 B．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用 C．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 D．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 8．合成氨工业中，原料气(、及少量CO、的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理以除去其中的CO，其反应为  ，所得溶液经过处理可使铜氨液再生，重复利用。以下说法正确的是 A．高温、低压条件有利于铜氨液再生 B．该反应在任何温度下都能自发进行 C．合成塔控制温度在400~500℃左右，主要目的是使合成氨反应平衡正向移动 D．合成氨过程中的加压、加催化剂都有利于提高原料的平衡转化率 9．与在固体催化剂表面合成的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表该分子或原子，已知。下列说法正确的是 分别代表、和 A．该反应在高温下可自发进行 B．实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率 C．实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率 D．和断键生成和吸收的能量为 10．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 11．1mol N2和3mol H2在一定条件反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  <0，若恒温恒容条件下N2的转化率为a；恒温恒压条件下N2的转化率为b；恒容绝热条件下N2的转化率为c。则它们之间的关系是 A．a > b> c B．b> a >c C．a >c >b D．b> c >a 12．哈伯在1908年申请循环法合成氨的专利，合成氨实验所用装置如下。下列说法不正确的是 A．进口a通入的是经过压缩的N2和H2 B．出口b的气体可以直接通入饿催化剂反应器 C．出口c是液态NH3出口，可用于冷却离开催化剂的气体 D．冷却水从A口进，B口出，用来给合成氨反应降温防止温度过热 二、填空题 13．合成氨是人工固氮最重要的途径，反应为：  。回答下列问题： (1)下列关于合成氨工艺的说法中，正确的是___________(填字母)。 A．控制温度远高于室温，是为了提高平衡转化率 B．原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 C．不断将液氨移除，利于反应正向进行，同时提高逆反应速率 D．实际生产中，N2适度过量有利于提高H2的转化率，同时有利于提高整体反应速率 (2)为降低合成氨的能耗，我国科学家提出使用M-LiH复合催化剂，催化效果如图1所示，若一定压强下，以相同的投料，350℃用Cr-LiH作催化剂、500℃用Fe作催化剂和350℃用Fe-LiH作催化剂，氨气的产率随时间变化如图2所示，350℃用Cr-LiH作催化剂的曲线是 (填“a”“b”或“c”)，理由是 。 (3)压强为20MPa下，以、进料，反应达平衡时氮气的转化率与温度的关系如图3中曲线b所示。 ①若保持压强不变，以、、进料，则平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线 (填“a”或“c”)，判断依据是 。 ②已知：反应，，其中、、分别表示、、的分压。若保持压强不变，仍以、进料，达平衡时NH3的物质的量分数为0.20，则该温度下，反应平衡常数 (化为最简式)。 14．NH3是一种对环境友好的新型能源，可直接作内燃机燃料，也可以作燃料电池直接能量来源。 Ⅰ．“哈伯法”合成氨的反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H，相关键能数据如下表： 化学键 键能(kJ/mol) 946.0 436.0 390.8 (1)△H= kJ/mol，正反应的活化能 (填“>”、“<”或“=”)逆反应的活化能。 (2)恒温恒容下，能说明该反应达到化学平衡状态的是_______(填字母)。 A．容器内的密度保持不变 B．容器内压强保持不变 C． D．容器内混合气体的平均摩尔质量保持不变 (3)下列有关合成氨反应的图像一定正确的是 (选字母)。 (4)T℃下，将1 molN2(g)和3 mol H2(g)放入一容积可变的密闭容器内，在催化剂作用下反应，实验测得平衡体系中气体组分的物质的量分数随压强的变化如图，表示H2的物质的量分数随压强变化曲线为 (填L1、L2、或L3)。 Ⅱ．“球磨法”是在温和的条件下(45℃和1bar，1bar≈100kPa)合成氨，氨的最终体积分数可高达82.5%。该法分为两个步骤(如图甲)：第一步，铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上([Fe(N*)])，有助于氮分子的解离。第二步，N*发生加氢反应得到(x=1～3)，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到产物氨。 (5)催化剂(Fe)缺陷密度越高，N2的吸附率越 (填“高”或“低”)，如图乙，平衡时NH3的体积分数随N2初始压强增大而 (填“增大”“减小”或“不变”)，说明N2与H2的投料比 1：3(填“≤”、“=”或“≥”)。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第07讲 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 知识点一 合成氨适宜生产条件的选择 一、合成氨适宜生产条件的选择 1. 理论分析： （1）在温度一定时，增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量；在压强一定时，降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。 （2）升高温度、增大压强及使用催化剂等都可以使合成氨的化学反应速率增大。 2. 综合分析实际选择： （1）催化剂的选择：合成氨工业要求催化剂具有活性强、机械强度高、不易中毒、容易制备、价格低廉等特点，目前公认的最适当的催化剂是铁催化剂。 （2）温度的选择：在兼顾反应速率和反应限度两个因素的同时，考虑到铁催化剂的活性温度，一般选择在500℃左右的温度。 （3）压强的选择：高压既能使平衡正向移动，也能加快反应速率，但受动力、材料、设备等条件限制，一般采用的压强是20~50MPa。 （4）反应物和生成物浓度的影响：①将氨液化分离后的原料气循环使用，②及时补充氮气和氢气，③维持氢氮比为2.8~2.9。 （5）合成氨适宜条件汇总 知识点二 工业合成氨的生产流程 二、工业合成氨的生产流程 合成氨的工业生产主要包括造气、净化与合成三个步骤。 1. 造气 原料气中氮气来自空气，氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。 （1）方法一：空气液化法；方法二：用碳除氧法。 (2) H2来源于水和燃料 C + H2OCO + H2；CO + H2O(g)CO2 + H2。 H2 + 水蒸气CO2 + H2H2 CH4CO + H2CO2 + H2 除去杂质后将N2、H2的混合气体用压缩机压缩至高压。 2. 净化 在制取原料气的过程中，常混有一些杂质气体，其中如 H2S、CO 等杂质会使合成氨所用的催化剂中毒，所以必须除去。 3. 合成 从合成塔出来的混合气体中氨含量为10% ～ 20%，需要将产品氨与未反应的 H2、N2 分离，将未反应的 H2、N2 作为循环气再返回合成塔。合成氨反应为放热反应，可通过热交换器有效利用此反应热来预热反应前的 H2、N2，降低合成氨的成本。 教材习题02（P52） 2. 工业合成氨时，采用氮氢循环操作的主要目的是（　　）。 （A） 加快反应速率 （B） 提高氨气的平衡浓度 （C） 降低氨气的沸点 （D） 提高N2和H2的利用率 解题方法 工业合成氨条件的选择包括温度、浓度、氮氢比、催化剂的选择，氨的分离，以及氮氢循环等，所以答题时一定要看清考查的具体内容。 【答案】D 教材习题03（P52） 3. 合成氨工业有下列生产流程：① 原料气制备；② 氨的合成；③ 原料气净化和压缩；④ 氨的分离。其先后顺序为（　　）。 （A） ①②③④ （B） ①③②④ （C） ④③②① （D） ②③④① 解题方法 工业制备的基本生产流程为：1.原料的制备；2.原料的除杂和净化；3.产品的制备；4.产品的分离及原料的循环利用等。 【答案】B 考点一 合成氨适宜生产条件的选择 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】A．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； B．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； C．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； D．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； 答案选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】A．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； B．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； C．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； D．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．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】A．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； B．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； 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，500℃左右催化剂活性最强，C项正确； D．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； 答案选B。 4．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】A．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； B．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； C．反应平衡常数只与温度有关，温度不变K值不变，故C错误； D．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。 考点二 工业合成氨的生产流程 5．工业合成氨的反应为，其工艺如图所示。下列措施能提高N2平衡转化率的是 ①干燥净化“原料气”②采用“10MPa~30MPa”③“热交换”分离热量④“冷却”分离液氨⑤使用“铁触媒” A．②③④ B．①④⑤ C．①②③ D．③④⑤ 【答案】A 【解析】①“干燥净化”主要有两个作用，一是从催化剂中毒角度考虑，防止催化剂失活失去效用，与速率有关，与平衡转化率无关，二是防止有氧化性气体进入，从而引起爆炸，也与平衡转化率无关，①不符合题意； ②采用合适压强既考虑了速率、转化率，又考虑了设备材料，②符合题意； ③热交换及时分离热量，合成氨正反应是放热反应，降低温度有利于平衡正向移动，③符合题意； ④分离氨，平衡正向移动，④符合题意； ⑤铁触媒只改变速率，不改变平衡转化率，⑤不符合题意； 故选择②③④，答案选A。 6．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】A．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； B．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； C．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； D．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； 选C。 7．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】A．由流程可知，R为，根据元素周期律，比更易与反应，A项正确； B．由氨的催化氧化可知，氧化炉中发生反应：，B项错误； C．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； D．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； 答案选B。 8．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】A．步骤①中“净化”是除去杂质以防止铁触媒中毒，故A正确； B．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； C．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； D．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。 知识导图记忆 知识目标复核 【学习目标】 1.通过对工业合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡理论在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2.在合成氨适宜生产条件的确定中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路和方法，体会实际生产条件的选择与理论分析之间的差异。 3.知道工业合成氨的主要步骤和生产流程，进一步认识化工生产。 【学习重难点】 合成氨条件的选择 一、单选题 1．合成氨反应： 下列说法不正确的是 A．该反应，升高温度，反应速率增大 B．对原料气需进行净化处理，防止催化剂中毒 C．生产中采用循环操作主要是为了增大化学反应速率 D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比有利于提高的平衡转化率 【答案】C 【解析】A．该反应是气体分子数减小的反应，则ΔS<0，升高温度，反应速率增大，故A正确； B．各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，故B正确； C．合成氨工业中采用循环操作，把、循环使用，可以促进反应正向进行，提高原料的利用率，节约生产成本，故C错误； D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比可以推动反应向生成氨的方向进行，从而提高氢气的平衡转化率，故D正确； 故选C。 2．对于工业合成氨反应，采取下列反应条件不是为了提高氨气的平衡产率的是 A．将氨液化移出 B．投料时，稍微过量 C．不选择常温，而选择温度为 D．不选择常压，而选择压强为 【答案】C 【解析】A．将氨液化移出：减少生成物浓度，平衡正向移动，提高氨气平衡产率，A不符合题意； B．稍微过量：增加反应物浓度，平衡正向移动，提高另一反应物()的转化率，间接提高产率，B不符合题意； C．选择400~500℃：虽然高温加快反应速率，但使平衡逆向移动，降低平衡产率；此条件是为速率和催化剂活性妥协，不是为了提高氨气平衡产率，C符合题意； D．选择10~30MPa高压：加压使平衡正向移动，提高氨气平衡产率，D不符合题意； 故选C。 3．硝酸是重要的化工原料。下图为制硝酸的流程示意图。 下列说法正确的是 A．流程中，、和NO作反应物时，均作还原剂 B．合成塔中高温、高压的反应条件均是为了提高的平衡产率 C．吸收塔中通入空气的目的是提高NO的转化率 D．可选用铜作为盛装液氨和浓硝酸的罐体材料 【答案】C 【分析】氮气和氢气在合成塔中发生反应生成，在氧化炉中发生反应生成NO，NO与空气在吸收塔中发生2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO反应制得硝酸，据此回答。 【解析】A．在合成氨反应中，N2中氮元素化合价从0价降低到-3价，N2作氧化剂；在氧化炉中发生反应 ，中氮元素化合价升高，作还原剂；NO在吸收塔中发生反应2NO+O2=2NO2，NO中氮元素化合价升高，NO作还原剂，A错误； B．合成氨的正反应是放热反应，高温会使平衡逆向移动，降低的平衡产率；高压使平衡正向移动，能提高的平衡产率，B错误； C．吸收塔中发生反应2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，通入空气，提供O2，使NO能充分反应，提高NO的转化率，C正确； D．浓硝酸具有强氧化性，能与铜反应，不能用铜作为盛装浓硝酸的罐体材料，D错误； 故选C。 4．下列关于工业合成氨的说法正确的是 A．工业合成氨采用10～30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 B．选择不同的催化剂会改变此反应△H的数值 C．合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率 D．合成氨工业中液化分离出氨，提高产率 【答案】D 【解析】A．合成氨工业采用，使反应速率快，且有利于提高平衡混合物中氨的含量，不是因为该条件下催化剂的活性最好，故A错误； B．催化剂能改变化学反应速率，不能改变反应△H的数值，故B错误； C．合成氨若采用低温可提高平衡转化率，但温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所用时间变长，在实际生产中采用的温度为400~500℃，故C错误； D．由于氨易液化，可以分离出氨，使平衡正移，提高产率，故D正确； 故选D。 5．工业合成氨发生的反应为N2(g)+3H2 (g)⇌2NH3 (g)  ΔH < 0。其中丙图是恒温恒容条件下，t1时刻加入H2的变化图，且每个图像的自变量只有一个。下列图像不符合实际的是 A．B．C． D． 【答案】B 【解析】A．图像表示在不同温度下的变化，且反应为放热反应，下最先平衡，并且温度越低平衡生成的氨气越多，图中曲线对应较低温度，氨气的平衡量较大，A正确； B．图像表示随压强增大，正、逆反应速率随之变化。由于提高压强有利于体积变小的正反应，压强以后，小于说明反应逆向进行，此图不能反映“增压促进正反应”的事实，B错误； C．于时刻加入氢气后，正、逆反应速率随时间重新达到新平衡。此时会突增而大于，随后二者逐渐趋于相等，新平衡建立，曲线趋势正确，C正确； D．图像给出的“氮气的平衡转化率随增加而单调下降”，在其他条件并未变化，随着氮气的物质的量增加，其平衡转化率会随增加而必然单调减小，D正确； 故选B。 6．一定条件下，将和按物质的量之比为3：1充入密闭容器中发生反应：。测得不同压强下，达到化学平衡时氨的物质的量分数()随温度变化如下图： 下列说法错误的是 A．压强： B．速率：b<a C．a点时，的转化率约为33% D．虚线表示条件下充入He后的图像 【答案】D 【解析】A．合成氨反应为气体分子数减小的反应，其它条件相同时，增大压强，平衡右移，平衡时氨的物质的量分数增大，可知压强：，A正确； B．a点温度高，压强大，反应速率快，速率：b＜a，B正确； C．a点时，氨的物质的量分数为0.20，列三段式，，x≈0.33，的转化率约为33%，C正确； D．恒容条件下充入非反应气体，压强增大，但反应物浓度不变，平衡不移动，平衡时氨的物质的量分数不变， D错误； 故选D。 7．下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．高温、高压都能缩短反应达到平衡状态的耗时，而只有高温有利于提高合成氨的产率 B．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压强无此作用 C．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 D．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 【答案】C 【分析】工业上合成NH3的反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，△H=-92 kJ/mol，根据外界条件对化学反应速率和化学平衡移动的影响分析判断。 【解析】A．高温、高压条件都能使单位体积内活化分子数增加，有效碰撞次数增加，从而可以加快化学反应速率，缩短反应达到平衡状态的耗时，但是由于该反应的正反应是气体体积减小的放热反应，因此要提高合成氨的平衡产率，可以采用适当降低温度或增大体系的压强的方法，而高温会使平衡向吸热的逆反应方向移动，不利于提高合成氨的产率，A错误； B．催化剂能降低反应的活化能，使更多的普通分子变为活化分子，能使单位体积内活化分子数增加，有效碰撞次数增加，反应速率加快，因此能够缩短反应达到平衡状态所用的时间。而合成氨气的正反应是气体体积减小的反应，由于有气体物质参加反应，因此增大压强也可以加快反应速率，从而缩短反应达到平衡状态所用的时间，B错误； C．及时从反应体系中分离出氨气，即减小了生成物的浓度，根据平衡移动原理，减小生成物的浓度，化学平衡向正反应方向移动，因此有利于平衡向正反应方向移动，C正确； D．工业合成氨的反应是气体体积减小的放热反应，因此是熵减的放热反应，根据体系自由能公式△G=△H-T△S＜0，反应可自发进行。由于△H＜0，△S＜0，所以反应自发进行的条件应该是在低温条件下，D错误； 故合理选项是C。 8．合成氨工业中，原料气(、及少量CO、的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理以除去其中的CO，其反应为  ，所得溶液经过处理可使铜氨液再生，重复利用。以下说法正确的是 A．高温、低压条件有利于铜氨液再生 B．该反应在任何温度下都能自发进行 C．合成塔控制温度在400~500℃左右，主要目的是使合成氨反应平衡正向移动 D．合成氨过程中的加压、加催化剂都有利于提高原料的平衡转化率 【答案】A 【解析】A．根据铜氨液与CO、NH3的反应可知，需使铜氨液再生，使化学平衡向逆反应方向移动。由于该反应的正反应是气体体积减小的放热反应，根据平衡移动原理可知，改变的外界条件是升高温度或减小压强均可使平衡逆向移动，A正确； B．反应的反应热△H＜0，反应后气体分子数减少，△S＜0，根据体系的自由能，只有在低温时，反应才能自发进行，B错误； C．该反应的正反应是放热反应，要使平衡正向移动，应该采用低温条件。合成塔使用热交换控制体系控制温度在400～500℃左右，主要目的是使催化剂铁触媒的活性达到最佳状态，C错误； D．使用催化剂只能改变反应途径，降低反应的活化能，但是不能使平衡移动，故使用催化剂无法提高原料的平衡转化率，D错误； 故合理选项是A。 9．与在固体催化剂表面合成的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表该分子或原子，已知。下列说法正确的是 分别代表、和 A．该反应在高温下可自发进行 B．实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率 C．实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率 D．和断键生成和吸收的能量为 【答案】C 【解析】A．该反应是熵减的放热反应，低温条件下反应ΔH—TΔS＜0，能自发进行，故A错误； B．该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，生成物的产率降低，则实际生产采用高温是为了加快反应速率，故B错误； C．反应未达平衡时，催化剂能加快反应速率，有利于提高反应物的转化率，故C正确； D．由图可知，包含断键吸收的能量和吸附氢气和氮气的能量变化，所以1mol氮气和3mol氢气断键生成2mol氮原子和6mol氢原子吸收的能量小于，故D错误； 故选C。 10．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 【分析】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。 【解析】A．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； B．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； C．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； D．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； 答案选A。 11．1mol N2和3mol H2在一定条件反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  <0，若恒温恒容条件下N2的转化率为a；恒温恒压条件下N2的转化率为b；恒容绝热条件下N2的转化率为c。则它们之间的关系是 A．a > b> c B．b> a >c C．a >c >b D．b> c >a 【答案】B 【解析】该反应是气体分子数减小的反应，则恒温恒压相当于在恒温恒容基础上的加压，加压时平衡正向移动，氮气转化率增大，b>a，该反应放热，恒容绝热相当于在恒温恒容的基础上的升温，平衡逆向移动，氮气转化率减小，c<a，则b>a >c； 故选B。 12．哈伯在1908年申请循环法合成氨的专利，合成氨实验所用装置如下。下列说法不正确的是 A．进口a通入的是经过压缩的N2和H2 B．出口b的气体可以直接通入饿催化剂反应器 C．出口c是液态NH3出口，可用于冷却离开催化剂的气体 D．冷却水从A口进，B口出，用来给合成氨反应降温防止温度过热 【答案】B 【分析】合成氨，由于合成氨的反应是一个可逆反应，达到平衡后，反应物并不能完全转化为产物氨气，这意味着有很大一部分原料气未被充分利用，故进口a通入压缩N2和H2，有助于提高反应速率、提高N2和H2的利用率；在合成氨的工艺中，氢气和氮气都需要进行干燥处理，以防止过多水分的进入影响化学反应的进行；经过反应器反应，按下进上出的方式通入冷凝水，混合气体进入冷却室，将NH3液化，c处为液态氨气，b出来的N2和H2的混气进行循环合成， 据此分析； 【解析】A．压缩的N2和H2有利于正向进行，提高反应速率、提高N2和H2的利用率和平衡混合物中氨气的含量，A正确； B．应净化，防催化剂中毒，B错误； C．NH3易液化，将NH3分离有利平衡正向移动，C正确； D．冷却水下口进水，从A口进水，上口出水，B口出水，来给合成氨反应降温防止温度过热，D正确； 故选B。 二、填空题 13．合成氨是人工固氮最重要的途径，反应为：  。回答下列问题： (1)下列关于合成氨工艺的说法中，正确的是___________(填字母)。 A．控制温度远高于室温，是为了提高平衡转化率 B．原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 C．不断将液氨移除，利于反应正向进行，同时提高逆反应速率 D．实际生产中，N2适度过量有利于提高H2的转化率，同时有利于提高整体反应速率 (2)为降低合成氨的能耗，我国科学家提出使用M-LiH复合催化剂，催化效果如图1所示，若一定压强下，以相同的投料，350℃用Cr-LiH作催化剂、500℃用Fe作催化剂和350℃用Fe-LiH作催化剂，氨气的产率随时间变化如图2所示，350℃用Cr-LiH作催化剂的曲线是 (填“a”“b”或“c”)，理由是 。 (3)压强为20MPa下，以、进料，反应达平衡时氮气的转化率与温度的关系如图3中曲线b所示。 ①若保持压强不变，以、、进料，则平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线 (填“a”或“c”)，判断依据是 。 ②已知：反应，，其中、、分别表示、、的分压。若保持压强不变，仍以、进料，达平衡时NH3的物质的量分数为0.20，则该温度下，反应平衡常数 (化为最简式)。 【答案】(1)BD (2) b 350℃用作催化剂的反应速率慢于350℃用作催化剂的速率 (3) a 相同温度下，恒压充入稀有气体相当于分压减小，平衡逆向移动，的转化率减小 【解析】（1）A．合成氨是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的产率降低，控制温度远高于室温的目的是为了提高催化剂的活性，加快反应速率，A错误； B．制备的氮气中含有能与氢气加热发生爆炸的氧气，且原料气中含有能使催化剂中毒的杂质，所以实际生产时原料气需经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生，B正确； C．不断将液氨移除，平衡正向移动，有利于反应反应正向进行，但体系中氨气的浓度减小，逆反应速率降低，C错误； D．实际生产中，氮气适度过量，氮气的浓度增大，反应速率加快，平衡向正反应方向移动，有利于提高氢气的转化率，D正确； 故选BD； （2）合成氨是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的产率降低，图2中c为500℃的曲线；使用催化剂，反应速率加快，化学平衡不移动，由图1可知，350℃用作催化剂的反应速率慢于350℃用作催化剂的速率，所以图2中曲线b表示350℃用作催化剂时氨气的产率随时间变化； （3）①若保持压强不变，以、、进料，相当于减小压强，平衡向逆反应方向移动，氮气的转化率减小，所以平衡时氮气的转化率与温度的关系是曲线a； ②设平衡时消耗氮气的物质的量为amol，由题意可建立如下三段式： ，由平衡时氨气的物质的量分数可得：，解得，则平衡时氮气、氢气和氨气的物质的量分数分别为0.2、0.6、0.2，反应的平衡常数为：。 14．NH3是一种对环境友好的新型能源，可直接作内燃机燃料，也可以作燃料电池直接能量来源。 Ⅰ．“哈伯法”合成氨的反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H，相关键能数据如下表： 化学键 键能(kJ/mol) 946.0 436.0 390.8 (1)△H= kJ/mol，正反应的活化能 (填“>”、“<”或“=”)逆反应的活化能。 (2)恒温恒容下，能说明该反应达到化学平衡状态的是_______(填字母)。 A．容器内的密度保持不变 B．容器内压强保持不变 C． D．容器内混合气体的平均摩尔质量保持不变 (3)下列有关合成氨反应的图像一定正确的是 (选字母)。 (4)T℃下，将1 molN2(g)和3 mol H2(g)放入一容积可变的密闭容器内，在催化剂作用下反应，实验测得平衡体系中气体组分的物质的量分数随压强的变化如图，表示H2的物质的量分数随压强变化曲线为 (填L1、L2、或L3)。 Ⅱ．“球磨法”是在温和的条件下(45℃和1bar，1bar≈100kPa)合成氨，氨的最终体积分数可高达82.5%。该法分为两个步骤(如图甲)：第一步，铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上([Fe(N*)])，有助于氮分子的解离。第二步，N*发生加氢反应得到(x=1～3)，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到产物氨。 (5)催化剂(Fe)缺陷密度越高，N2的吸附率越 (填“高”或“低”)，如图乙，平衡时NH3的体积分数随N2初始压强增大而 (填“增大”“减小”或“不变”)，说明N2与H2的投料比 1：3(填“≤”、“=”或“≥”)。 【答案】(1) －90.8 < (2)BD (3)AB (4)L3 (5) 高 减小 ≥ 【解析】（1）由反应热和反应物的键能之和与生成物的键能之和的差值相等可得：△H=946.0 kJ/mol +3×436.0 kJ/mol—6×390.8 kJ/mol =—90.8 kJ/mol，则该反应是正反应活化能小于逆反应活化能的放热反应，故答案为：-90.8；<； （2）A．容器的体积、气体的质量始终不变，则容器内的密度保持不变，不能判断平衡，A不符合题意； B．该反应前后气体的总物质的量发生变化，压强也发生变化，则容器内压强保持不变，能说明达到平衡，B符合题意； C．不同物质的反应速率之比等于系数比，则才能说明正逆反应速率相等，C不符合题意； D．该反应混合气体总质量不变，反应前后气体总物质的量发生变化，混合气体的平均摩尔质量是一变量，当其保持不变，能说明反应达到平衡，D符合题意； 故选BD； （3）A．加入催化剂使反应速率加快，但平衡不移动，所以氨气的转化率不变，A正确； B．由图像可知，温度下反应速率快，则，正反应放热，升高温度，平衡逆向移动，氨气的体积分数减小，B正确； C．达到平衡状态，各物质浓度保持不变，而不是各物质浓度相等，且浓度的变化量与计量数不成正比，C错误； D．图示反应物总能量低于生成物总能量，为吸热反应，而合成氨反应为放热反应，D错误； 故选AB； （4）合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，NH3的物质的量分数增大，则由图可知，表示NH3的物质的量分数随压强变化的曲线为L1；由氮气和氨气的起始物质的量和方程式可知，氢气的物质的量分数大于氮气，则L3表示氢气的物质的量分数； （5）催化剂(Fe)缺陷密度越高，表面积越大，越有利于氮分子被吸附，氮气的吸附率越高；当投料比等于化学计量数之比时产物的体积分数最大，由图可知，氮气初始压强增大时，氨的产量增大，但氨气的平衡体积分数减小，说明氮气和氢气的投料大于等于1：3故答案为：高；减小；≥。 2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$