第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨（专项训练） 化学鲁科版2019选择性必修1

第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨 · 题型01 合成氨反应的限度与速率 · 题型02 工业合成氨的适宜条件 · 题型03 工业合成氨的综合应用 · 题型04 化学反应选择与反应条件优化 题型01 合成氨反应的限度与速率 1.合成氨反应的特点 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。 2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 温度 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 浓度 反应物氮气或氢气的浓度 某一反应物的浓度， 反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度 从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。 【典例1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．N2的量越多，H2 的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3 的合成 C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 【变式1-1】下面是合成氨的简要流程示意图：    沿X路线回去的物质是（ ） A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2 【变式1-2】对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是 A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响 D．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 【变式1-3】对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是 A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响 D．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 题型02 工业合成氨的适宜条件 1.工业生产中，必须从 和 两个角度选择合成氨的适宜条件。 (1)尽量增大反应物的 ，充分利用原料。 (2)选择较快的 ，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备的要求和技术条件等。 2.合成氨反应的适宜条件 (1)压强 目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。 合成氨时不采用更高压强的理由：　　　 　　　　　　　 　　　　　　　 　　　　。  (2)温度 实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 不采用低温的理由：　　　 　　　 　　　　　　　 　　　　　　　 　　　　　　　  (3)催化剂 ①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是　　　 　　　　。  ③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？ (4)浓度 及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 (5)投料比 ①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)=1∶3时，氨的平衡体积分数最大。 ②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：　　　　、 　　　　　　　　　　　　　。  (6)其他：兼顾环境保护和社会效益。 【典例2】有平衡体系：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，为了增加氨气的产量，应采用的正确措施是 A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 【变式2-1】工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是（    ） ①适当提高合成氨的速率    ②提高H2的转化率  ③提高氨的产率  ④催化剂在700 K时活性最大 A．①③ B．①② C．②③④ D．①④ 【变式2-2】下列叙述符合工业合成氨生产实际的是 A．V2O5做催化剂 B．NH3循环利用 C．将N2和H2从体系中分离出去 D．反应温度由催化剂决定 【变式2-3】下列有关合成氨工业的说法正确的是 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．增大压强能缩短反应达到平衡状态所需的时间，所以压强越大越好 D．合成氨过程中采用的温度是700K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 题型03 工业合成氨的适宜条件 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。 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 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 温度 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 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 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 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 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 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 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 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 【典例3】氨气是世界上产量最多的无机化合物之一，具有广泛的用途。如图所示为合成氨以及氨催化氧化制硝酸的流程示意图。 回答下列问题： (1)下列有关合成塔中合成氨的说法，正确的是_______（填字母）。 A．氨气受热易分解，须置于冷暗处保存 B．工业合成氨需要在高温、高压、催化剂下进行 C．通过调控反应条件，可以提高合成氨反应进行的程度 D．达到平衡后，延长反应时间，可以提高的转化率 (2)上述流程中常用作保护气（如填充灯泡、焊接保护等）的物质是 （填电子式），原因是 。 (3)氧化炉中发生反应的化学方程式为 。 (4)A的化学式为 ，吸收塔中A的作用是 。 (5)“吸收塔”排出的尾气中含有NO、等氮氧化物，可用；将其催化还原成不污染环境的气体，写出处理尾气的化学方程式 。 (6)采用上述工业制硝酸的流程，若（已折算成标准状况的气体体积）完全反应生成硝酸，理论上可制得63%的硝酸溶液的质量为 g。 【变式3-1】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∶2.8，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)如表所示： 压强 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 【变式3-2】利用工业合成氨制硝酸的流程如图所示： 下列说法错误的是 A．合成塔中采用的高压，可提高合成氨的生产效率 B．合成塔中，每生成，需通入 C．X是，Y是 D．可利用氨气的还原性将尾气转化为 【变式3-3】氨是一种重要的化工产品。回答下列问题： (1)已知：①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)  ΔH=-92.0kJ/mol ②H2(g)＋O2(g) H2O(g)  ΔH=-240.0kJ/mol ③2Fe(s)＋O2(g) Fe2O3(s) ΔH=-1644.0kJ/mol 则反应2NH3(g)＋Fe2O3(s) N2(g)＋3H2O(g)＋2Fe(s)  ΔH= kJ/mol，该反应在 （填“高温”“低温”或“任意温度”）下能自发进行。 (2)下列关于合成氨工艺的理解中，正确的有______（填标号）。 A．控制温度远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率 B．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 C．NH3易液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 D．原料气中N2由分离空气得到，H2由天然气与水蒸气反应生成，原料气需要经过净化处理，以防催化剂中毒和安全事故发生 (3)温度为T℃，压强恒定为pMPa，用Fe2O3处理NH3和HCN（起始时NH3的体积分数为58%）的混合气体，部分气体的体积分数随时间的变化如图，反应经30min达到平衡。 ①0～30min内用NH3的压强变化表示的反应速率v(NH3)= MPa·min-1。 ②反应2NH3(g)＋Fe2O3(s)N2(g)＋3H2O(g)＋2Fe(s)的平衡常数Kp= (MPa)2（列出计算式即可）；若降低温度，该反应的平衡常数将 （填“增大”“减小”或“不变”）。 (4)在催化剂作用下，可用NH3去除NO，其反应原理为4NH3＋6NO=5N2＋6H2O。不同温度条件下，n(NH3)：n(NO)分别为4：1、3∶1、1：3时，得到的NO脱除率曲线如图所示： ①曲线a中，在温度超过900℃时，NO脱除率骤然下降的原因可能是 。 ②曲线c对应的NH3与NO的物质的量之比是 。 题型04 化学反应选择与反应条件优化 1.设计化学反应解决实际问题的一般思路 2.选择适宜条件的优化思路 【典例4】在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) △H2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是 A．△H1<0，△H2>0 B．增大压强有利于加快合成反应的速率 C．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生 D．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率 【变式4-1】CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，CO在不同温度下的平衡转化率与压强及温度的关系如图所示。下列说法正确的是（    ）    A．该反应的△H>0 B．实际生产选择的压强越高越好 C．使用合适的催化剂，可以降低反应的活化能，提高CO的转化率 D．平衡常数：K350℃<K250℃ 【变式4-2】工业常用铁钼氧化物作催化剂，用甲醇空气氧化法制甲醛，反应过程涉及如下反应： （有关数据均在298K时测定） 反应Ⅰ：， 反应Ⅱ： 反应Ⅲ：， 反应温度对甲醇氧化反应的影响如图所示。 (1)用反应Ⅲ制甲醛要比直接用反应Ⅰ制甲醛优越，原因是 。 (2)生产时，要控制为0.4左右，目的是 （试从反应热和反应适宜的温度思考）。 (3)下列说法不正确的是 。 A．甲醇的转化率接近100%的原因是反应Ⅲ属于完全反应 B．氢气的摩尔燃烧热为‒241.8kJ•mol‒1 C．600K以后甲醛产率下降的原因可能是温度升高导致甲醛发生热分解反应 【变式4-3】为探究不同条件下甘油(丙三醇)和辛酸酯化合成甘油二酯的最佳条件，科研工作者做了甘油二酯的酶法合成工艺研究。 实验1：研究不同投料比对产率的影响 (1)理论分析合成甘油二酯所需辛酸与甘油的投料比(物质的量之比)为2∶1。实验证明提高投料比，甘油二酯的产率会降低，其原因可能是 。 实验2：研究吸水剂对反应的影响 (2)硅胶易与羟基结合，故有较强的亲水性，易于吸附水分子。但是在反应体系里加入硅胶后甘油二酯含量明显降低，说明合成甘油二酯的平衡发生了逆向移动，分析可能的原因是 。 实验3：研究不同催化剂的催化效果 曲线 催化剂 纵坐标 ① 脂肪酶I号 辛酸转化率 ② 脂肪酶II号 辛酸转化率 ③ 脂肪酶I号 甘油二酯含量 ④ 脂肪酶II号 甘油二酯含量 (3)其他条件相同时，不同脂肪酶(I号、II号)催化合成甘油二酯的效果如图所示，选择此实验中催化效果相对最佳的反应条件是 (填字母序号)。 A．12 h，I号              B．24 h，I号      C．12 h，II号              D．24 h，II号      实验4：研究温度对反应速率和产率的影响           (4)选定脂肪酶做催化剂，继续实验。 ①综合上图，选择6 h时比较适宜的反应温度是 。 ②在6 h之后，辛酸的转化率总趋势缓慢上升，30℃、40℃甘油二酯的含量上升，但是50℃的却有所降低，分析可能的原因是 。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨 · 题型01 合成氨反应的限度与速率 · 题型02 工业合成氨的适宜条件 · 题型03 工业合成氨的综合应用 · 题型04 化学反应选择与反应条件优化 题型01 合成氨反应的限度与速率 1.合成氨反应的特点 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.2 kJ·mol-1，ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。 2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 压强 高压 高压 高压 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性 催化剂 使用 无影响 使用 浓度 增大反应物氮气或氢气的浓度 增大某一反应物的浓度，降低反应产物的浓度 增大反应物的浓度，且不断减小反应产物的浓度 从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强下，反应物N2和H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。 【典例1】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．N2的量越多，H2 的转化率越大，因此，充入的N2越多越有利于NH3的合成 B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3 的合成 C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行 D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可自发进行 【答案】D 【详解】A．N2的量越多，H2 的转化率越大，但加入过多的氮气，未反应的氮气会带走较多的热量，反而不利于氨气的合成，当投料比为n（N2）:n（H2）= 1:2.8时，最有利于氨气的合成，故A错误； B．恒容条件下充入稀有气体，参与反应的各物质的浓度没有改变，则平衡不移动，对氨气的合成没有影响，故B错误； C．根据N2＋3H22NH3 △H＜0可知，该反应为熵减小的放热反应，故C错误； D．根据△G=△H－T△S＜0时反应可以自发进行，该反应的△H＜0、△S＜0，所以在低温或常温下可自发进行，故D正确； 答案选D。 【变式1-1】下面是合成氨的简要流程示意图：    沿X路线回去的物质是（ ） A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2 【答案】A 【分析】根据合成氨工业中，利用氨易液化，分离出N2、H2循环使用，可使平衡向正反应方向移动，则氨气的产率增大。 【详解】合成氨工业中，利用氨易液化，分离出N2、H2循环使用，可使平衡向正反应方向移动，则氨气的产率增大，所以沿X路线回去的物质是N2、H2，故选A． 【变式1-2】对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是 A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响 D．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 【答案】C 【详解】A．都能提高反应速率，高压会使平衡正向移动，故A错误； B．催化剂只改变速率，对化学平衡不移动，故B错误； C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响，催化剂不影响平衡移动，故C正确； D．催化剂、压强提高反应速率，都能缩短反应达到平衡状态所用的时间，故D错误。 综上所述，答案为C。 【变式1-3】对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是 A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响 B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间 C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响 D．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 【答案】C 【详解】A．都能提高反应速率，高压会使平衡正向移动，故A错误； B．催化剂只改变速率，对化学平衡不移动，故B错误； C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化学平衡状态有影响，催化剂不影响平衡移动，故C正确； D．催化剂、压强提高反应速率，都能缩短反应达到平衡状态所用的时间，故D错误。 综上所述，答案为C。 题型02 工业合成氨的适宜条件 1.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。 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备的要求和技术条件等。 2.合成氨反应的适宜条件 (1)压强 目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10~30 MPa。 合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。  (2)温度 实际生产中一般采用的温度为400~500 ℃。 不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的，且铁触媒在500 ℃左右时的活性最大 (3)催化剂 ①目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ②我们知道催化剂对平衡转化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的原因是即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应。提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。  ③什么是催化剂中毒？工业上如何防止催化剂中毒？ 答案　因吸附或沉积毒物而使催化剂活性降低或丧失的过程称为催化剂中毒。原料气必须经过净化。 (4)浓度 及时将氨气从反应混合物中分离出去， 将未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。 (5)投料比 ①大量实验证明，在一定的温度、压强下，合成氨反应中当n(N2)∶n(H2)=1∶3时，氨的平衡体积分数最大。 ②研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产中，N2和H2的物质的量之比并非1∶3，而是1∶2.8，分析说明原料中N2适度过量的2个理由：N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率、 适当提高N2比例，加快合成氨的反应速率。  (6)其他：兼顾环境保护和社会效益。 【典例2】有平衡体系：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，为了增加氨气的产量，应采用的正确措施是 A．高温、高压 B．适宜温度、高压、催化剂 C．低温、低压 D．高温、高压、催化剂 【答案】B 【详解】A．此反应为放热的反应，高温条件下使反应逆向进行，氨气的产率减小，故A错误； B．适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，此反应为体积减小的反应，故高压下使反应正向移动，故B正确； C．低压下，平衡逆向移动，不利于氨气的产出，故C错误； D．温度过高，使反应逆向进行，氨气的产率减小，故D错误： 故选：B。 【变式2-1】工业上合成氨一般采用700 K左右的温度，其原因是（    ） ①适当提高合成氨的速率    ②提高H2的转化率  ③提高氨的产率  ④催化剂在700 K时活性最大 A．①③ B．①② C．②③④ D．①④ 【答案】D 【分析】合成氨反应：N2+3H22NH3△H＜0的正反应是气体体积减小的放热反应，从反应条件对化学反应速率和催化剂的活性角度分析判断。 【详解】①升高温度可适当增大合成氨气的反应速率，①正确； ②该反应的正反应为放热反应，升高温度化学平衡逆向移动，不能提高H2转化率，②错误; ③该反应的正反应为放热反应，升高温度化学平衡逆向移动，不能提高氨的产率，③错误； ④催化剂只有在一定温度下其催化活性最高，高于或低于该温度，都不能达到最大活性。在700 K左右时，该反应的催化剂的活性最大，有利于增大反应速率，提高产量，④正确； 综上所述可知：说法正确的是①④，故合理选项是D。 【变式2-2】下列叙述符合工业合成氨生产实际的是 A．V2O5做催化剂 B．NH3循环利用 C．将N2和H2从体系中分离出去 D．反应温度由催化剂决定 【答案】D 【详解】A．工业合成氨生产中一般选择铁做催化剂，故A错误； B．生产过程中将氨气从混合气体中分离出去后得到的N2和H2可以循环利用，故B错误； C．将N2和H2从体系中分离出去，平衡逆向移动，不利于合成氨，不符合生产实际，故C错误； D．催化剂在一定温度下活性最大，催化效率最高，反应温度由催化剂决定，故D正确。 综上所述，答案为D。 【变式2-3】下列有关合成氨工业的说法正确的是 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．增大压强能缩短反应达到平衡状态所需的时间，所以压强越大越好 D．合成氨过程中采用的温度是700K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 【详解】A．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，故A错误； B．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，故B错误； C．增大压强，反应速率加快，但在实际生产中，应根据反应设备的综合指标来选择压强，故C错误； D．合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，反应物转化率降低，但反应速率加快，同时要考虑催化剂的活性温度，故D正确。 综上所述，答案为D。 题型03 工业合成氨的适宜条件 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。 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 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 【典例3】氨气是世界上产量最多的无机化合物之一，具有广泛的用途。如图所示为合成氨以及氨催化氧化制硝酸的流程示意图。 回答下列问题： (1)下列有关合成塔中合成氨的说法，正确的是_______（填字母）。 A．氨气受热易分解，须置于冷暗处保存 B．工业合成氨需要在高温、高压、催化剂下进行 C．通过调控反应条件，可以提高合成氨反应进行的程度 D．达到平衡后，延长反应时间，可以提高的转化率 (2)上述流程中常用作保护气（如填充灯泡、焊接保护等）的物质是 （填电子式），原因是 。 (3)氧化炉中发生反应的化学方程式为 。 (4)A的化学式为 ，吸收塔中A的作用是 。 (5)“吸收塔”排出的尾气中含有NO、等氮氧化物，可用；将其催化还原成不污染环境的气体，写出处理尾气的化学方程式 。 (6)采用上述工业制硝酸的流程，若（已折算成标准状况的气体体积）完全反应生成硝酸，理论上可制得63%的硝酸溶液的质量为 g。 【答案】(1)BC (2) 的化学性质稳定 (3) (4) 氧化NO (5) (6)1000 【分析】氮气和氢气在催化剂下合成氨气，氨气和氧气发生催化氧化生成NO和水，NO和氧气和水发生化合反应生成硝酸； 【详解】（1）A．氨气受热不易分解，故A错误； B．工业合成氨反应条件为高温、高压、催化剂，故B正确； C．通过调控反应条件，使平衡正向移动、提高合成氨反应进行的程度，故C正确； D．达到平衡后，延长反应时间，平衡不移动，不能提高H2的转化率，故D错误； 故选BC。 （2） 上述流程中常用作保护气（如填充灯泡、焊接保护等）的物质，其化学性质稳定，则该物质为N2，其电子式为：； （3）氨气进入氧化炉中发生反应为氨气的催化氧化，发生反应的化学方程式为：； （4）由分析可知，A的化学式为O2；吸收塔中A的作用是将NO氧化为NO2； （5）可用NH3将NO2催化还原成氮气，反应的化学方程式为：； （6）根据氮原子守恒可知，224LNH3即10mol NH3（已折算成标准状况的气体体积）完全反应生成硝酸，理论上可制得63%的硝酸溶液的质量为：。 【变式3-1】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∶2.8，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)如表所示： 压强 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 【详解】A．表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差，A故错误； B．合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当，B错误； C．平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，C错误； D．合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，题目中实际氨浓度（15%）低于表格中20MPa、500℃对应的平衡浓度（19.1%），说明反应未达到平衡。合成氨工业为提高效率，通常不会让反应完全达到平衡（需更长时间），而是通过控制反应物停留时间，使混合物及时排出以维持连续生产，因此，实际浓度低于平衡值的原因是反应未达平衡，而非数据错误或条件控制问题，D正确； 故答案选D。 【变式3-2】利用工业合成氨制硝酸的流程如图所示： 下列说法错误的是 A．合成塔中采用的高压，可提高合成氨的生产效率 B．合成塔中，每生成，需通入 C．X是，Y是 D．可利用氨气的还原性将尾气转化为 【答案】B 【分析】氮气与氢气在合成塔反应生成氨气，含有氨气的混合气体进入氨分离器得到氨气，在氧化炉中氨气和氧气反应生成一氧化氮和水，吸收塔中NO、O2与H2O反应生成硝酸，最后尾气处理防止污染空气。 【详解】A．正向反应是气体体积减小的反应，加压平衡正向移动，合成塔中采用10~30MPa的高压，可提高合成氨的生产效率，A正确； B．由于是可逆反应，每生成，需通入N2大于1mol，B错误； C．氧化炉中氨气和氧气反应生成一氧化氮和水，吸收塔中一氧化氮和氧气、水反应生成硝酸，故X是O2，Y是，C正确； D．氨气具有还原性，氮氧化物具有氧化性，二者反应生成无毒气体氮气，可以用NH3进行氮氧化物的尾气处理，D正确； 故答案选B。 【变式3-3】氨是一种重要的化工产品。回答下列问题： (1)已知：①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)  ΔH=-92.0kJ/mol ②H2(g)＋O2(g) H2O(g)  ΔH=-240.0kJ/mol ③2Fe(s)＋O2(g) Fe2O3(s) ΔH=-1644.0kJ/mol 则反应2NH3(g)＋Fe2O3(s) N2(g)＋3H2O(g)＋2Fe(s)  ΔH= kJ/mol，该反应在 （填“高温”“低温”或“任意温度”）下能自发进行。 (2)下列关于合成氨工艺的理解中，正确的有______（填标号）。 A．控制温度远高于室温，是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率 B．合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零 C．NH3易液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行 D．原料气中N2由分离空气得到，H2由天然气与水蒸气反应生成，原料气需要经过净化处理，以防催化剂中毒和安全事故发生 (3)温度为T℃，压强恒定为pMPa，用Fe2O3处理NH3和HCN（起始时NH3的体积分数为58%）的混合气体，部分气体的体积分数随时间的变化如图，反应经30min达到平衡。 ①0～30min内用NH3的压强变化表示的反应速率v(NH3)= MPa·min-1。 ②反应2NH3(g)＋Fe2O3(s)N2(g)＋3H2O(g)＋2Fe(s)的平衡常数Kp= (MPa)2（列出计算式即可）；若降低温度，该反应的平衡常数将 （填“增大”“减小”或“不变”）。 (4)在催化剂作用下，可用NH3去除NO，其反应原理为4NH3＋6NO=5N2＋6H2O。不同温度条件下，n(NH3)：n(NO)分别为4：1、3∶1、1：3时，得到的NO脱除率曲线如图所示： ①曲线a中，在温度超过900℃时，NO脱除率骤然下降的原因可能是 。 ②曲线c对应的NH3与NO的物质的量之比是 。 【答案】(1) ＋1016.0 高温 (2)BCD (3) 0.019p 减小 (4) 催化剂失去活性 1：3 【详解】（1）由盖斯定律可知，反应得到反应 ，则，该反应为熵增的吸热反应，高温条件下反应，反应能自发进行。 （2）A．合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的产率减小，则控制温度远高于室温，是为了保证催化剂的活性最大，反应速率较快，A错误； B．合成氨反应是熵减的放热反应，反应的焓变ΔH、熵变ΔS均小于0，B正确； C．不断将液氨移去，生成物的浓度减小，平衡向正反应方向移动，氨气的产率增大，C正确； D．合成氨反应所需原料气中氮气由分离空气得到，氢气由天然气与水蒸气反应生成，原料气中的杂质会使催化剂中毒，易燃易爆的氢气与氧气反应可能发生安全事故，所以原料气需要经过净化处理，以防催化剂中毒和安全事故发生，D正确； 故选BCD。 （3）①由图可知，起始时氨气的体积分数，分压为，反应达到平衡时氨气的体积分数为，分压为a，则氨气反应速率为。 ②由图可知，反应达到平衡时氨气、氮气、水蒸气的体积分数分别为，则反应的平衡常数，该反应是吸热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小。 （4）①催化剂在一定温度下具有较强的催化活性，当温度较高时，催化剂会失去活性导致反应速率减小，则曲线a中，在温度超过900℃时，一氧化氮脱除率骤然下降说明温度过高，催化剂失去活性，导致反应速率减小。 ②氨气和一氧化氮的物质的量的比值增大，相当于增大氨气的浓度，平衡向正反应方向移动，一氧化氮的脱除率增大，则由图可知，物质的量之比分别为4：1、3：1、1：3时，曲线c对应的物质的量之比是3：1。 题型04 化学反应选择与反应条件优化 1.设计化学反应解决实际问题的一般思路 2.选择适宜条件的优化思路 【典例4】在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) △H2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是 A．△H1<0，△H2>0 B．增大压强有利于加快合成反应的速率 C．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生 D．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率 【答案】D 【详解】A．根据图示升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH (g)+H2O(g) 向逆反应方向移动，ΔH10，升高温度CO的产率增大，反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)向正反应方向移动，ΔH20，选项A正确； B．反应有气体参与，增大压强有利于加快合成反应的速率，选项B正确； C．催化剂有一定的选择性，选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生，选项C正确； D．由图像可见，温度越高CH3OH的产率越低，选项D错误； 答案选C。 【变式4-1】CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，CO在不同温度下的平衡转化率与压强及温度的关系如图所示。下列说法正确的是（    ）    A．该反应的△H>0 B．实际生产选择的压强越高越好 C．使用合适的催化剂，可以降低反应的活化能，提高CO的转化率 D．平衡常数：K350℃<K250℃ 【答案】D 【详解】A选项，画一条与y轴平行的线，从下到上，温度降低，平衡向放热方向移动，y轴CO转化率升高，说明正向移动，即正向为放热反应，故A错误； B选项，实际生产选择的压强不是越高越好，因此压强高对设备的要求越高，故B错误； C选项，使用合适的催化剂，可以降低反应的活化能，但平衡不移动，不能提高CO的转化率，故C错误； D选项，由A得出该反应为放热反应，故升高温度，平衡逆向移动，K值减小，故D正确； 综上所述，答案为D。 【变式4-2】工业常用铁钼氧化物作催化剂，用甲醇空气氧化法制甲醛，反应过程涉及如下反应： （有关数据均在298K时测定） 反应Ⅰ：， 反应Ⅱ： 反应Ⅲ：， 反应温度对甲醇氧化反应的影响如图所示。 (1)用反应Ⅲ制甲醛要比直接用反应Ⅰ制甲醛优越，原因是 。 (2)生产时，要控制为0.4左右，目的是 （试从反应热和反应适宜的温度思考）。 (3)下列说法不正确的是 。 A．甲醇的转化率接近100%的原因是反应Ⅲ属于完全反应 B．氢气的摩尔燃烧热为‒241.8kJ•mol‒1 C．600K以后甲醛产率下降的原因可能是温度升高导致甲醛发生热分解反应 【答案】 氧气能与反应Ⅰ生成的氢气反应生成水，促进可逆反应Ⅰ正向移动，提高甲醇的转化率和甲醛的产率，同时除去H2 适当通入O2，促进反应Ⅲ的发生，利用放出的热量，使体系温度控制在600K左右 B 【详解】(1)氧气能与反应Ⅰ生成的氢气反应生成水，促进可逆反应Ⅰ正向移动，提高甲醇的转化率和甲醛的产率，同时除去H2。且反应Ⅲ是熵增大的放热反应，是自发进行的。反应Ⅲ的平衡常数比反应Ⅰ大得多，即反应Ⅲ进行的程度大。故答案为：氧气能与反应Ⅰ生成的氢气反应生成水，促进可逆反应Ⅰ正向移动，提高甲醇的转化率和甲醛的产率，同时除去H2； (2)适当通入O2，促进反应Ⅲ的发生，利用放出的热量，使体系温度控制在600K左右，因为此时甲醛产率最大。答案为：适当通入O2，促进反应Ⅲ的发生，利用放出的热量，使体系温度控制在600K左右； (3)A．根据题中反应Ⅲ的反应平衡常数，可知，甲醇的转化率接近100%的原因是反应Ⅲ属于完全反应，A项正确； B．根据盖斯定律，将反应Ⅱ和反应Ⅰ相减后得反应：2H2(g)+O2(g)＝2H2O(g)，但表示H2摩尔燃烧热的热化学方程式中生成的水应为液态，则氢气的摩尔燃烧热不是‒241.8kJ•mol‒1，B项错误； C． 由题给信息可知，600K以后甲醇的转化率接近100%，但甲醛的产率下降，可能是温度升高导致甲醛发生热分解反应导致。C项正确； 答案选B。 【变式4-3】为探究不同条件下甘油(丙三醇)和辛酸酯化合成甘油二酯的最佳条件，科研工作者做了甘油二酯的酶法合成工艺研究。 实验1：研究不同投料比对产率的影响 (1)理论分析合成甘油二酯所需辛酸与甘油的投料比(物质的量之比)为2∶1。实验证明提高投料比，甘油二酯的产率会降低，其原因可能是 。 实验2：研究吸水剂对反应的影响 (2)硅胶易与羟基结合，故有较强的亲水性，易于吸附水分子。但是在反应体系里加入硅胶后甘油二酯含量明显降低，说明合成甘油二酯的平衡发生了逆向移动，分析可能的原因是 。 实验3：研究不同催化剂的催化效果 曲线 催化剂 纵坐标 ① 脂肪酶I号 辛酸转化率 ② 脂肪酶II号 辛酸转化率 ③ 脂肪酶I号 甘油二酯含量 ④ 脂肪酶II号 甘油二酯含量 (3)其他条件相同时，不同脂肪酶(I号、II号)催化合成甘油二酯的效果如图所示，选择此实验中催化效果相对最佳的反应条件是 (填字母序号)。 A．12 h，I号              B．24 h，I号      C．12 h，II号              D．24 h，II号      实验4：研究温度对反应速率和产率的影响           (4)选定脂肪酶做催化剂，继续实验。 ①综合上图，选择6 h时比较适宜的反应温度是 。 ②在6 h之后，辛酸的转化率总趋势缓慢上升，30℃、40℃甘油二酯的含量上升，但是50℃的却有所降低，分析可能的原因是 。 【答案】 辛酸的量增加，会有更多的甘油三酯生成，导致产物中甘油二酯的产率降低 甘油分子有3个羟基，故硅胶对甘油的吸附能力也较强，降低了体系中反应物甘油的浓度，从而使合成甘油二酯的酯化反应平衡逆向移动，降低了甘油二酯的含量 A 50℃ 催化合成甘油二酯反应的脂肪酶，长时间处于高温下活性(选择性)下降，导致甘油二酯含量下降，副反应产物含量增加 【详解】（1）甘油的结构简式为CH2(OH)CH(OH)CH2OH，甘油二酯分子中含有1个羟基，投料比增大，即增大辛酸，辛酸与甘油二酯中羟基继续发生反应，生成甘油三酯，即提高投料比，甘油二酯产率降低的原因是辛酸的量增加，会有更多的甘油三酯生成，导致产物中甘油二酯的产率降低； （2）硅胶硅胶能与羟基结合，甘油分子中含有3个羟基，硅胶对甘油的吸附能力较强，降低了体系中反应物中甘油的浓度，使平衡向逆反应方向进行，降低了甘油二酯的含量； （3）根据图象，曲线①在12h辛酸的转化率较大，曲线①12h以后虽然辛酸的转化率增大，但是增大的并不大，即催化效果相对最佳的反应条件是①号，12h，故选项A正确； （4）①根据图象6h时，50℃的曲线辛酸的转化率最大，故反应温度为50℃； ②50℃转化率有所降低的原因是：催化合成甘油二酯反应的脂肪酶，长时间处于高温下活性(选择性)下降，导致甘油二酯含量下降，副反应产物含量增加。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$