第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-【金版教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1创新导学案全书Word（鲁科版2019）

化学 选择性必修1(鲁科) 第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 核心素养 学业要求 增强将化学反应原理应用于生产、生活的意识，提高理论联系实际的能力。能结合生产和生活实际问题情境说明调控反应条件等的重要作用。能从调控反应速率、提高反应平衡转化率等方面综合分析反应条件，提出有效控制反应条件的措施。能综合节约成本、循环利用、保护环境等观念，设计、优化简单的工艺流程 1.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优化和选择。 2.针对工业合成氨这一典型案例，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 一、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 合成氨反应是在298 K时能正向自发进行的放热反应，同时也是气体的物质的量减小的熵减反应。 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。 二、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。 三、合成氨生产的适宜条件 1．合成氨条件的选择原则 选择合成氨生产的条件时，既不应片面地追求高转化率，也不应只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获取适当转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气(氮气和氢气)的循环使用、反应热的综合利用等问题。 2．合成氨的适宜条件 合成氨生产一般选择铁做催化剂；反应温度控制在700__K左右；根据反应器可使用钢材的质量及综合指标来选择压强，大致分为低压(1×107 Pa)、中压(2×107～3×107 Pa)和高压(8.5×107～1×108 Pa)三种类型；通常采用氮气与氢气物质的量之比为1∶2.8的投料比。 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 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。 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．使用铁触媒做催化剂，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．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。 3．工业上用接触法制备浓硫酸的原理如下： 已知：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1 下列说法错误的是(　　) A．缩小反应容器的容积可以提高煅烧速率 B．步骤④中产生的尾气经净化后循环利用可以提高原料利用率 C．温度越高，越有利于SO2的催化氧化反应 D．步骤③中充入适当过量的空气能提高SO2的转化率 答案：C 解析：缩小反应容器的容积，会导致气体浓度增大，因而会使反应速率增大，A正确；在步骤④中产生的尾气经净化后再重新发生氧化反应产生SO3，这样循环利用可以使更多的反应物变为反应产物，从而可提高原料利用率，B正确；SO2催化氧化产生SO3的反应是放热反应，升高温度，化学平衡逆向移动，不利于SO2的催化氧化，C错误；步骤③中充入适当过量的空气，即增大反应物O2的浓度，会使化学平衡正向移动，因而能提高SO2的转化率，D正确。 4．下图为工业合成氨的流程图，下列有关说法不正确的是(　　) A．步骤①中“净化”可以防止催化剂“中毒” B．步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以增大反应速率 C．步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 D．液态NH3除可生产化肥外，还可做制冷剂 答案：C 解析：步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂质气体降低催化剂的催化效果，A正确；合成氨反应是气体分子数减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移动，可提高原料转化率，增大压强，也可以使反应物浓度增大，则可增大反应速率，B正确；步骤③为“催化反应”，催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转化率，C错误；氨是制备氮肥的原料，液氨汽化时吸收热量，可以做制冷剂，D正确。 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 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．NH3是重要的化工原料，合成氨反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。工业上常用氨氧化法制硝酸(如图)：将氨和空气混合后先经过热交换器，再通入灼热催化剂铂铑合金网生成NO，经过反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)　ΔH＝－116.4 kJ·mol－1，将NO2与水反应制得硝酸。 下列有关合成氨工业和硝酸工业的说法正确的是(　　) A．合成氨工业中可用空气代替N2做原料 B．硝酸工业的尾气可以直接排放 C．催化剂铂铑合金网同时降低了正、逆反应的活化能 D．经过热交换器后，反应2NO＋O2===2NO2中NO的转化率降低 答案：C 解析：空气中含氧气，与氢气混合加热时会发生爆炸，则合成氨工业中不可用空气代替N2做原料，A错误；氮氧化物有毒、会污染空气，硝酸工业的尾气不可以直接排放，B错误；催化剂铂铑合金网能使正、逆反应速率增大同等幅度，因为催化剂能同时降低正、逆反应的活化能，C正确；由题干和图可知，氨和空气的混合气体经过热交换器后升温、再通入灼热催化剂铂铑合金网生成NO，而一氧化氮、氧气和氮气的混合气体经过热交换器后，混合气体降温，则反应2NO＋O2===2NO2朝放热方向即正反应方向移动，故2NO＋O2===2NO2中NO的转化率增大，D错误。 7．一定条件下，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%。 8．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。 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。 10．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3做催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件相同(浓度、温度、压强)情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如下图，下列说法不正确的是(　　) A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3做催化剂可以节约能源 B．选择Fe2O3做催化剂，最适宜温度为340 ℃左右 C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高催化剂活性降低了 D．其他条件相同的情况下，选择Cr2O3做催化剂，SO2的平衡转化率最小 答案：D 解析：在温度为260 ℃时，选择Cr2O3做催化剂，SO2的转化率是最大的，D错误。 11．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。 12．乙醇－水催化重整可获得H2。其主要反应为 C2H5OH(g)＋3H2O(g) 2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝＋173.3 kJ·mol－1 CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ·mol－1 CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ·mol－1 在密闭容器中，1.01×105 Pa、起始＝时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2、CO、CH4、H2的体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　) A．一定温度下，增大可提高乙醇的平衡转化率 B．反应CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)的ΔH＝－123.5 kJ·mol－1 C．研发高效催化剂可提高H2的平衡产率 D．控制反应的最佳温度约为800 ℃ 答案：D 解析：A项，增大，相当于增大乙醇的量，乙醇自身的平衡转化率会减小，错误；B项，根据盖斯定律，由第三个反应－第二个反应可得所求反应的ΔH＝－164.7 kJ·mol－1－41.2 kJ·mol－1＝－205.9 kJ·mol－1，错误；C项，高效催化剂不可以改变物质的平衡产率，错误；D项，从图上看，约800 ℃时，H2的产率较高，且温度再上升H2的产率变化不大，故最佳反应温度约为800 ℃，正确。 二、非选择题 13．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。 ( 温度 ) ( 平衡转化率 ) ( 压强 ) 1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa 450 ℃ 97.5% 99.2% 99.6% 99.7% 550 ℃ 85.6% 94.9% 97.7% 98.3% (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 13 学科网（北京）股份有限公司 $$