第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1五维课堂同步Word教案（鲁科版2019）

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 课标要点 核心素养 1.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用 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、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化 3．针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析 1.变化观念与平衡思想 2.证据推理与模型认知 3.科学态度与社会责任 (1)能从不同视角认识化学变化的多样性，能运用对立统一思想和定性定量结合的方式认识合成氨反应的本质特征；能运用化学变化的规律分析说明生产、生活实际中的化学变化 (2)形成化学变化是有条件的观念，认识反应条件对合成氨反应速率和平衡的影响 能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题 能从定性与定量结合上收集证据，能通过定性分析和定量计算推出合理的结论 主动关心与环境保护、资源开发等有关的社会热点问题，形成与环境和谐共处，合理利用自然资源的观念 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [知识点一]　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 3．影响因素 ①外界条件：　降低　温度、　增大　压强，有利于化学平衡向合成氨的方向移动。 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百分含量最高。 [小结]　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。 [知识点二]　合成氨反应的速率　 1．提高合成氨反应速率的方法 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加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。 [小结]　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。 [知识点三]　合成氨适宜条件的选择　 1．合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从 　反应速率　、　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　700_K　左右 2 物质的量 N2、H2投料比　1∶2.8　 3 压强 1×107～1×108Pa 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 [自我评价] 判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)合成氨反应在高温下能自发进行。( × ) (2)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。( × ) (3)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动。( √ ) (4)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( × ) (5)从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低。( × ) (6)合成氨厂采用的压强是2×107～3×107 Pa，因在该压强下铁催化剂的活性最大。( × ) 解析：(1)合成氨反应ΔH＜0，ΔS＜0，ΔH－TΔS的值在低温时小于0。 (2)合成氨反应ΔH＜0，温度越低越利于平衡正向移动。 (4)催化剂同倍数的加快正、逆反应速率，对转化率无影响。 (5)合成氨工业中从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，但由于分离出NH3后，N2和H2可循环使用，所以总体来说氨的产率是很高的。 (6)合成氨的反应为气态物质系数减小的反应，增大压强主要是为了使平衡向正反应方向移动，与催化剂活性无关。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　 工业生产中选择适宜生产条件的原则 (素养养成——科学态度与社会责任) [思考探究] 1．实验研究表明，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)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？ 提示：由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度[c(N2)或c1.5(H2)]成正比关系，与生成物浓度[c(NH3)]成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小生成物浓度来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度，使用合适的催化剂降低反应活化能来加快反应速率。 2．已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol－1，K＝6.6×105(mol·L－1)－2， 思考：(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？ (2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。 提示：(1)为了加快化学反应的速率，提高单位时间内NH3的产量。 (2)在此温度时，催化剂的活性最大。 [核心突破] 1．从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2．根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 外界 条件 有利于加 快速率的 条件控制 有利于平衡正 向移动的条件 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 不断地补充 反应物，及时 地分离出反应产物 催化剂 加合适的 催化剂 不需要 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH＜0 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性 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 Δvg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 [典例示范] [典例1]　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 [解题指南]　解答本题时应注意以下几点： (1)合成氨反应的特点； (2)合成氨反应的适宜条件； (3)理论与生产实际要相结合。 解析：B　[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，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择700 K左右的温度，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20～50 MPa，D项错误。] [学以致用] 1．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，下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　) A．升高温度，减小压强，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 解析：D　[本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误，加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。] 2．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 解析：D　[合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。] 3．工业上用氮气和氢气合成氨：N2＋3H22NH3(反应放热)，从反应速率和化学平衡两方面看，合成氨的适宜条件一般为压强：10～30 MPa，温度：500 ℃左右，催化剂：铁触媒。下列有关合成氨工业的叙述不正确的是(　　) A．使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间的反应在较低温度下取得较高的反应速率 B．工业上选择上述条件下合成氨，可以使氮气全部转化为氨 C．上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素的影响 D．温度升高，不利于提高氮气的转化率 解析：B　[合成氨的反应是可逆反应，反应物的平衡转化率不可能达到100%，B项错误。] [素养提升] 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· mol－1。(已知催化剂是V2O5，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(%)：不同压强下SO2的转化率(%) 温度 1×105Pa 5×105Pa 1×106Pa 5×106Pa 1×107Pa 450 ℃ 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 ℃ 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 请思考；根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么？(证据推理与模型认知) 提示：常压、450 ℃，催化剂 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．有关合成氨工业的说法中，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在实际生产中是循环使用，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是2×107～5×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大 解析：B　[A项，增大H2的浓度，H2的转化率减小；C项，温度控制在500 ℃的目的是催化剂活性最大；D项，压强采用2×107～5×107 Pa是考虑对设备材料的要求。] 2．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 解析：D　[工业上合成M可能采用常压，如H2SO4工业中SO3的生成；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。] 3．在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高化学反应速率，可采取的措施有(　　) ①增大容器体积使压强减小　②减小容器体积使压强增大　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使用催化剂 A．②④⑤⑥⑦　　　　 B．②③④⑤⑦⑧ C．②⑤ D．①②③⑤⑧ 解析：C　[从反应速率的角度分析，①④⑦均使化学反应速率降低，②③⑤⑧均使化学反应速率升高，⑥不影响化学反应速率。从平衡移动的角度分析，②⑤使化学平衡向右移动，使氨的产率增大，⑧不影响化学平衡，③使化学平衡向左移动。] 4．(双选)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，在673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．c点处反应未达到平衡 B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同 C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大 D．a点的正反应速率比b点的小 解析：AC　[A项，c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故c点没有达到平衡，A项正确。B项，t1和t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误。773 K＞673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确。在反应达到平衡前，a点反应物浓度大于b点，因此a点的正反应速率比b点的大，D项错误。] 5．合成氨工艺(流程如图所示)是人工固氮最重要的途径。 2018年是合成氨工业先驱哈伯(F·Haber)获得诺贝尔奖100周年。N2和H2生成NH3的反应为N2(g)＋H2(g)NH3(g)　ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·mol－1 在Fe催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态) 化学吸附：N2(g)―→2N*；H2(g)2H*； 表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NH；NH＋H*NH 脱附：NHNH3(g) 其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。请回答： (1)利于提高合成氨平衡产率的条件有　________　。 A．低温 B．高温 C．低压 D．高压 E．催化剂 (2)实际生产中，常用工艺条件：Fe做催化剂，控制温度773 K、压强3.0×107 Pa，原料气中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。 ①分析说明原料气中N2过量的理由：_________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②关于合成氨工艺的下列理解，正确的是　________　。 A．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 B．控制温度(773 K)远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率 C．当温度、压强一定时，在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率 D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 E．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 解析：(1)由勒·夏特列原理可知，根据合成氨反应是气体系数减小的放热反应，为了提高合成氨平衡产率，即使平衡正向移动，低温和高压符合条件，故选AD。 (2)①由反应N2(g)＋H2(g)NH3(g)可知，加过量氮气，有利于平衡正向移动，提高H2的转化率，同时根据“N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率”可知，N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。②观察方程式的特点，易知A选项正确；控制温度远高于室温是为了保证催化剂的活性，提高反应速率，并非为了保证尽可能高的平衡转化率，B错误；恒压条件充入少量惰性气体，相当于减压，平衡逆向移动，不利于提高平衡转化率，C错误；不断将氨气液化，反应产物浓度降低，有利于平衡正向移动，D正确；通过天然气和水蒸气转化制得的H2，由于含有CH4、CO等易燃易爆气体，容易出现安全隐患，此外CH4、CO可能会与催化剂反应，造成催化剂活性降低，所以必须经过净化处理，E正确。 答案：(1)AD　(2)①原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率　②ADE [课堂小结] 学科网（北京）股份有限公司 $$