2.4 工业合成氨（5大题型专项训练） 化学沪科版2020选择性必修1

2.4 工业合成氨 题型01 工业合成氨的限度和速率 题型02 工业合成氨的适宜条件 题型03 工业合成氨的应用 题型04 实验室模拟合成氨 题型05 化学反应选择与条件优化 题型01 工业合成氨的限度和速率 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 （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。 二、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。 【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，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，B错误； C．根据N2＋3H22NH3 △H＜0可知，该反应为熵减小的放热反应，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，D正确； 故选D。 【变式1-1】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。 【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，A错误； B．催化剂只改变速率，对化学平衡不移动，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，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，D错误。 故选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，A错误； B．催化剂只改变速率，对化学平衡不移动，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，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，D错误。 故选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，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，B正确； C．低压下，平衡逆向移动，不利于氨气的产出，C错误； D．温度过高，使反应逆向进行，氨气的产率减小，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，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，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，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，D正确； 故选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，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，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，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，D正确； 故选D。 题型03 工业合成氨的应用 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如下。 下列说法不正确的是 A．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 B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，平衡转化率高 C．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 D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗 【答案】B 【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．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，A正确； B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，反应速率增大，温度升高，该反应的平衡转化率降低，B错误； C．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，C正确； D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别从400~500℃、10-30MPa降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗，D正确； 故选B。 【变式3-1】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3-2】合成氨的原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。 （1）将一定量的N2(g)和H2(g)放入1 L的密闭容器中，在500 ℃、2×107 Pa下达到平衡，平衡时测得N2为0.1 mol，H2为0.3 mol，NH3为0.1 mol。该条件下H2的转化率为________。计算此温度下该反应的平衡常数K＝________。 （2）欲提高H2的转化率，下列措施可行的是________。 a. 向容器中按原比例再充入原料气 b. 向容器中再充入惰性气体 c. 改变反应的催化剂 d. 液化生成物分离出氨 （3）在不同的条件下，测定合成氨反应的速率与时间的关系如图所示： 如果t2、t4、t6、t8时都仅改变了一个条件，可看出t2时刻的v正 ___v逆(填“>”、“=”或“<”)；t4时改变的条件是_______； 在t2时刻的H2转化率___t5时刻(填“>”、“=”或“<”)；t8时改变的条件是_______。 【答案】33.3% 3.7 ad < 降低压强 > 使用催化剂 【解析】(1)①达到平衡时NH3为0.1 mol，说明H2转化了0.15mol，因此开始时H2的物质的量为0.15mol+0.3mol=0.45mol，所以该条件下H2的转化率为×100%=33.3%；此温度下该反应平衡常数K===3.7； ③将图像补充完整即为： ，由图可知，t2时刻v正 <v逆；t4时刻弱化外界条件，且该时刻改变条件后的正逆反应速率与原正逆反应速率均不相等，且平衡逆向移动，所以t4时刻改变的外界条件为降低压强；t2～t6之间所改变的外界条件均使平衡逆向移动，因此在t2时刻的H2转化率>t5时刻；t8所改变条件使正逆反应速率同等程度增大，平衡不发生移动，所以改变的条件是加入了催化剂。 【变式3-3】下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④ 【答案】C 【解析】工业合成氨的化学方程式为N2+3H22NH3，反应是可逆反应，反应前后气体体积减小，反应是放热反应；依据合成氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施为：增大压强，平衡向体积减小的方向进行，提高反应物的转化率；液化分离出氨气，促进平衡正向进行，提高反应物的转化率；氮气和氢气的循环使用，也可提高原料的转化率，故选C。 题型04 实验室模拟合成氨 1．无论工业上还是实验室，用N2和H2反应生成NH3的反应都是可逆反应。 2．NH3极易溶于水，其水溶液呈碱性。 3．检验NH3的生成，一般使用酚酞试液，或挥发性酸（如浓盐酸）。 4. 无论是工业还是实验室合成氨气，都需要先制造氮气和氢气，然后混合催化生成暗器，最后是检验、收集和尾气处理。 【典例4】合成氨在农业增产、工业基石、能源转型、经济拉动起了重要作用，结合目前各种合成氨的方法，回答以下问题： (1)植物的根瘤菌能把空气中的氮气转化为氨，此过程可简单地用化学方程式表示为：，请配平化学方程式 。 (2)我国科研团队借助一种固体催化剂(LDH)，在常温、常压和可见光条件下合成了氨，显著提高了在温和条件下合成氨的效率，其过程如图所示。该反应的化学方程式为 。反应每生成，转移 。 (3)某实验小组拟在实验室模拟工业合成氨(下图)。 已知：I．实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 Ⅱ．在常温常压下，1体积的水大约可溶解700体积的氨气，且得到的溶液显碱性。 ①写出用饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式： 。 ②锥形瓶中盛有一定量的水，并滴有几滴酚酞试剂，反应一段时间后，锥形瓶中溶液变红，则气体X的成分为、水蒸气、 和 。该装置没有用防倒吸的原因是 。 ③该装置的不足之处 。 【答案】(1) (2) 3 (3) 有大量的氮气和氢气未能转化为氨，这样会缓解氨气极易溶于水导致的气压差，不会倒吸 无氢气的尾气处理装置 【详解】（1）该反应中氮的化合价由0价降低到-3价，碳的化合价由0价升高到+4价，根据得失电子守恒，配平化学方程式为； （2）由图可知反应物为氮气和水，生成物为氧气和氨气，按电子转移配平，反应的化学方程式为；反应中生成氨气转移电子，则每生成氮气转移电子； （3）①根据题意，亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液反应生成，化学方程式为：； ②锥形瓶中溶液变红，说明有氨气生成，即锌与稀硫酸反应生成的氢气与亚硝酸钠和氯化铵反应生成的氮气在催化剂作用下反应生成了氨，则气体X的成分为、水蒸气、、；合成氨的反应是可逆的，即有大量的氮气和氢气未能转化为氨，这样会缓解氨气极易溶于水导致的气压差，不会倒吸； ③该装置最后氨气被吸收，剩余气体氢气无法吸收，需加上氢气的尾气处理装置，如气囊收集。 【变式4-1】合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径。 (1)哈伯法合成氨是目前主流方法。 ①该方法存在不少缺点，例如转化率低(10%～15%)、 (写一条)。 ②哈伯法使用的氢源含有H2S气体，可以采用ZnO吸收法实现脱硫目的。已知： 2Zn(s)+O2(g)=2ZnO(s)　ΔH1=a kJ·mol-1； 2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(l)　ΔH2=b kJ·mol-1； Zn(s)+S(g)=ZnS(s)　ΔH3=c kJ·mol-1。 写出用ZnO脱除H2S反应的热化学方程式 。 (2)电化学合成氨有望解决哈伯法的不足 i．以NO为氮源通过电解法制取氨气。已知酸性溶液中反应时，该过程存在(a)反应历程。写出该电化学合成氨的阴极电极反应式： 。 ii．以N2为氮源通过电解法制取氨气装置如图所示： ①电解装置中质子交换膜的作用为 。 ②若b极产生的O2在一定条件下的体积为336 L，a极中通入相同条件下N2的总体积为672 L，则N2的转化率为 %。 (3)实验室模拟合成氨。恒温下，向一个4 L的密闭容器中充入5.2 mol H2和2 mol N2，反应过程中对NH3的物质的量进行检测，得到的数据如下表所示： 时间/min 5 10 15 20 25 30 n(NH3)/ (mol) 0.32 0.56 0.72 0.80 0.80 0.80 ①计算此条件下该反应的化学平衡常数K = 。 ②若维持容器容积不变，温度不变，往原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4 mol ，再次达到平衡前v(正) v(逆)(填“＞”、“＜”或“=”)。 【答案】(1) 能耗高 ZnO(s)＋H2S(g)=ZnS(s)＋H2O(l)　ΔH=(b＋2c-a) kJ·mol-1 (2) NO +5e－+5H+= NH3＋H2O 为质子的迁移和输送提供通道，并且阻碍阴、阳两极产物接触 33 (3) 0.1 ＜ 【详解】（1）1906年，哈伯在600℃高温、200兆帕高压条件下，用锇作催化剂，以电解水生成的氢和大气中的氮为原料，成功合成氨气。 ①该方法存在不少缺点，例如转化率低(10%～15%)、能耗高。 ②ⅰ.2Zn(s)+O2(g)=2ZnO(s)　ΔH1=a kJ·mol-1； ⅱ.2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(l)　ΔH2=b kJ·mol-1； ⅲ.Zn(s)+S(g)=ZnS(s)　ΔH3=c kJ·mol-1。 利用盖斯定律，将反应(ⅱ+ⅲ×2-ⅰ)得，用ZnO脱除H2S反应的热化学方程式为ZnO(s)＋H2S(g)=ZnS(s)＋H2O(l)　ΔH=(b＋2c-a) kJ·mol-1。 （2）i．以NO为氮源通过电解法制取氨气，则酸性溶液中，NO得电子产物与电解质反应生成NH3等，阴极电极反应式：NO +5e－+5H+= NH3＋H2O。 ii．①电解装置中，阳极H2O失电子生成O2和H+，阴极N2得电子产物与质子反应生成NH3，则质子交换膜的作用为：为质子的迁移和输送提供通道，并且阻碍阴、阳两极产物接触。 ②依据得失电子守恒可建立如下关系式：3O2——12e-——2N2，若b极产生的O2在一定条件下的体积为336 L，物质的量n(O2)==15mol，a极中通入相同条件下N2的总体积为672 L，则参加反应N2的体积为=224L，N2的转化率为≈33%。 （3）恒温下，向一个4 L的密闭容器中充入5.2 mol H2和2 mol N2，平衡时生成NH3的物质的量为0.80mol，由此可求出平衡时的物质的量：H2为5.2mol-1.20mol=4.00mol，N2为2mol-0.40mol=1.60mol。 ①此条件下该反应的化学平衡常数K ==0.1。 ②若维持容器容积不变，温度不变，往原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4 mol，此时浓度商Qc=≈0.13＞0.1，则平衡逆向移动，再次达到平衡前v(正)＜v(逆)。 【变式4-2】NOx在工业生产中有多种用途，同时也会污染大气。 I．实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下： 已知实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 (1)从图中选择制取气体的合适装置 ，写出用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式 。 (2)氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有 、 。 (3)用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是 。锥形瓶中还可观察到的现象是 。 (4)写出乙装置中氨氧化的化学方程式： 。 II．工业上也常用溶液吸收法处理。已知：NO不能与溶液反应。 ① ② (5)当NOx被溶液完全吸收时，x的值不可能是___________(填字母)。 A．1.3 B．1.6 C．1.8 D．1.9 【答案】(1) A (2) 干燥气体 控制气体流速 (3) 氨气的催化氧化是一个放热反应，放出的热量使铂丝保持红热 有红棕色气体产生 (4) (5)A 【分析】装置a中饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液经加热制取氮气，装置b中锌和稀硫酸反应制取氢气，氮气、氢气在甲装置中干燥、充分混合后合成氨气，用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内发生氨气的催化氧化。 【详解】（1）用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气，所以选择A装置制取，饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液加热生成氯化钠、氮气、水，根据得失电子守恒，反应的化学方程式为。 （2）装置甲中盛有浓硫酸，氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有干燥气体、通过观察气泡控制气体流速的作用。 （3）用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，发生氨气的催化氧化反应，该反应放热，所以能使铂丝保持红热。氨气催化氧化生成NO，NO在锥形瓶内与氧气反应生成NO2，锥形瓶中还可观察到的现象是有红棕色气体产生。 （4）乙装置中氨气发生催化氧化生成一氧化氮和水，反应的化学方程式是； （5）根据反应方程式，NO2能被氢氧化钠完全吸收；NO2和NO以1:1混合后也能被完全吸收，NO不能与碱溶液反应，所以x在2~1.5之间，故x的值不可能是1.3，选A。 【变式4-3】某实验小组拟在实验室模拟工业合成氨，并进行氨的催化氧化。 I．实验室模拟合成氨的流程如下： 已知：实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 (1)图甲中实验室制取氢气的装置是 (填a、b或者c)。写出用饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式： 。 (2)氮气和氢气通过乙装置，乙装置的作用除了将气体混合外，还有 、 。 II．氨的催化氧化 (3)氨合成器出来经冷却的气体连续通入丙装置的水中，吸收氨气不会发生倒吸，原因是 。 (4)用丙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入丙装置的锥形瓶内，铂丝表面发生主要反应的化学方程式为 ，能使铂丝保持红热的原因是 ，锥形瓶中还可观察到的现象是 。 (5)反应结束后锥形瓶中的溶液含有的离子有、、 、 。 【答案】(1) b (2) 干燥气体 根据气泡流速控制氢气和氮气的流速 (3)有大量的氮气和氢气未能转化为氨，这样会缓解氨气极易溶于水导致的气压差，不会倒吸 (4) 反应放热 有红棕色气体生成 (5) 【分析】用锌和稀硫酸反应制取氢气，用饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液反应制取氮气，氢气和氮气在浓硫酸中干燥并充分混合后，在催化剂作用下合成氨气，氨气催化氧化生成一氧化氮和水。 【详解】（1）实验室中用锌和稀硫酸在常温下反应制取氢气，装置是b。饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液反应生成氯化钠、氮气、水，根据得失电子守恒，反应的化学方程式为； （2）氮气和氢气通过乙装置，浓硫酸具有吸水性，乙装置的作用除了将气体混合外，还有干燥气体、根据气泡流速控制氢气和氮气的流速。 （3）有大量的氮气和氢气未能转化为氨，这样会缓解氨气极易溶于水导致的气压差，不会倒吸。 （4）铂丝表面氨气发生催化氧化生成一氧化氮和水，发生主要反应的化学方程式为，该反应放热，能使铂丝保持红热；NO会和氧气反应生成NO2，锥形瓶中还可观察到的现象是有红棕色气体生成。 （5）二氧化氮和水反应生成硝酸，硝酸和氨水反应生成硝酸铵，反应结束后锥形瓶中的溶液含有一水合氨、硝酸铵，含有的离子有、、、。 题型05 化学反应选择与条件优化 （1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。 （2）原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。 （3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。 （4）根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。 影响 因素 有利于加快反应速率的控制 有利于平衡移动条件的控制 综合分析结果 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、减小生成物浓度 不断补充反应物、及时分离出生成物 压强 高压(有气体参加) ΔV<0 高压 设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔV>0 低压 兼顾速率和平衡、选取适宜的压强 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，尽量采取高温并选取合适催化剂 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂， 考虑催化剂活性与温度关系 【归纳总结】 （1）化工生产适宜条件选择的一般原则 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性受温度的限制 （2）控制反应条件的基本措施 控制化学反应速率的措施 通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率 提高转化率的措施 通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率 （3）催化剂的活性与“中毒” 催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因吸附或沉积少量的杂质(毒物)而使活性明显下降甚至丧失的现象，称为催化剂“中毒”。为了防止催化剂“中毒”，合成氨的原料气、硫酸工业中从沸腾炉排出来的炉气都必须经过净化。 【典例5】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，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，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，C正确； D．由图像可见，温度越高CH3OH的产率越低，D错误； 故选C。 【变式5-1】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】A. 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； B. 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； C. 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； 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，提高生产的效率降低生产的成本，D正确； 故选C。 【变式5-2】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，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，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，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，D正确； 故选D。 【变式5-3】工业上通常将水蒸气喷入灼热的炭层以生产水煤气，反应为：C(s)+H2O(g)⇌CO(g)+H2(g) △H＞0。下列有关说法正确的是 A．该反应平衡常数k=c(CO)·c(H2) B．高压条件有利于工业生产水煤气 C．在较高温度时该反应可以自发进行 D．因正向熵增加，故任何温度下都能自发发生 【答案】C 【详解】A.由题给化学方程式可知反应平衡常数k=，A错误； B.该反应是一个气体体积增大的反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，不利于工业生产水煤气，B错误； C.由方程式可知，反应的焓变△H＞0，该反应是一个气体体积增大的反应，反应的熵变△S＞0，在较高温度时H—T△S＜0，反应可以自发进行，C正确； D.因该反应焓变大于0，正向熵增加，则在较高温度时△H—T△S＜0，才能自发发生，D错误； 故选C。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 2.4工业合成氨 题型01 工业合成氨的限度和速率 题型02 工业合成氨的适宜条件 题型03 工业合成氨的应用 题型04 实验室模拟合成氨 题型05 化学反应选择与条件优化 题型01 工业合成氨的限度和速率 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 （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。 二、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： N2或H2的浓度， 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。 【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】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 【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 。 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 工业合成氨的应用 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如下。 下列说法不正确的是 A．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 B．合成氨一般选择400~500℃进行，主要是让铁触媒的活性最大，平衡转化率高 C．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 D．新型锰系催化剂将合成氨的温度、压强分别降到了350℃、1MPa，显著降低合成氨的能耗 【变式3-1】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3-2】合成氨的原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。 （1）将一定量的N2(g)和H2(g)放入1 L的密闭容器中，在500 ℃、2×107 Pa下达到平衡，平衡时测得N2为0.1 mol，H2为0.3 mol，NH3为0.1 mol。该条件下H2的转化率为________。计算此温度下该反应的平衡常数K＝________。 （2）欲提高H2的转化率，下列措施可行的是________。 a. 向容器中按原比例再充入原料气 b. 向容器中再充入惰性气体 c. 改变反应的催化剂 d. 液化生成物分离出氨 （3）在不同的条件下，测定合成氨反应的速率与时间的关系如图所示： 如果t2、t4、t6、t8时都仅改变了一个条件，可看出t2时刻的v正 ___v逆(填“>”、“=”或“<”)；t4时改变的条件是_______； 在t2时刻的H2转化率___t5时刻(填“>”、“=”或“<”)；t8时改变的条件是_______。 【变式3-3】下图为工业合成氨的流程图。图中为提高原料转化率而采取的措施是 A．①②③ B．①③⑤ C．②④⑤ D．②③④ 题型04 实验室模拟合成氨 1．无论工业上还是实验室，用N2和H2反应生成NH3的反应都是可逆反应。 2．NH3极易溶于水，其水溶液呈碱性。 3．检验NH3的生成，一般使用酚酞试液，或挥发性酸（如浓盐酸）。 4. 无论是工业还是实验室合成氨气，都需要先制造氮气和氢气，然后混合催化生成暗器，最后是检验、收集和尾气处理。 【典例4】合成氨在农业增产、工业基石、能源转型、经济拉动起了重要作用，结合目前各种合成氨的方法，回答以下问题： (1)植物的根瘤菌能把空气中的氮气转化为氨，此过程可简单地用化学方程式表示为：，请配平化学方程式 。 (2)我国科研团队借助一种固体催化剂(LDH)，在常温、常压和可见光条件下合成了氨，显著提高了在温和条件下合成氨的效率，其过程如图所示。该反应的化学方程式为 。反应每生成，转移 。 (3)某实验小组拟在实验室模拟工业合成氨(下图)。 已知：I．实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 Ⅱ．在常温常压下，1体积的水大约可溶解700体积的氨气，且得到的溶液显碱性。 ①写出用饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式： 。 ②锥形瓶中盛有一定量的水，并滴有几滴酚酞试剂，反应一段时间后，锥形瓶中溶液变红，则气体X的成分为、水蒸气、 和 。该装置没有用防倒吸的原因是 。 ③该装置的不足之处 。 【变式4-1】合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径。 (1)哈伯法合成氨是目前主流方法。 ①该方法存在不少缺点，例如转化率低(10%～15%)、 (写一条)。 ②哈伯法使用的氢源含有H2S气体，可以采用ZnO吸收法实现脱硫目的。已知： 2Zn(s)+O2(g)=2ZnO(s)　ΔH1=a kJ·mol-1； 2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(l)　ΔH2=b kJ·mol-1； Zn(s)+S(g)=ZnS(s)　ΔH3=c kJ·mol-1。 写出用ZnO脱除H2S反应的热化学方程式 。 (2)电化学合成氨有望解决哈伯法的不足 i．以NO为氮源通过电解法制取氨气。已知酸性溶液中反应时，该过程存在(a)反应历程。写出该电化学合成氨的阴极电极反应式： 。 ii．以N2为氮源通过电解法制取氨气装置如图所示： ①电解装置中质子交换膜的作用为 。 ②若b极产生的O2在一定条件下的体积为336 L，a极中通入相同条件下N2的总体积为672 L，则N2的转化率为 %。 (3)实验室模拟合成氨。恒温下，向一个4 L的密闭容器中充入5.2 mol H2和2 mol N2，反应过程中对NH3的物质的量进行检测，得到的数据如下表所示： 时间/min 5 10 15 20 25 30 n(NH3)/ (mol) 0.32 0.56 0.72 0.80 0.80 0.80 ①计算此条件下该反应的化学平衡常数K = 。 ②若维持容器容积不变，温度不变，往原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4 mol ，再次达到平衡前v(正) v(逆)(填“＞”、“＜”或“=”)。 【变式4-2】NOx在工业生产中有多种用途，同时也会污染大气。 I．实验室模拟合成氨和氨催化氧化的流程如下： 已知实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 (1)从图中选择制取气体的合适装置 ，写出用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式 。 (2)氮气和氢气通过甲装置，甲装置的作用除了将气体混合外，还有 、 。 (3)用乙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入乙装置的锥形瓶内，能使铂丝保持红热的原因是 。锥形瓶中还可观察到的现象是 。 (4)写出乙装置中氨氧化的化学方程式： 。 II．工业上也常用溶液吸收法处理。已知：NO不能与溶液反应。 ① ② (5)当NOx被溶液完全吸收时，x的值不可能是___________(填字母)。 A．1.3 B．1.6 C．1.8 D．1.9 【变式4-3】某实验小组拟在实验室模拟工业合成氨，并进行氨的催化氧化。 I．实验室模拟合成氨的流程如下： 已知：实验室可用饱和亚硝酸钠()溶液与饱和氯化铵溶液经加热后反应制取氮气。 (1)图甲中实验室制取氢气的装置是 (填a、b或者c)。写出用饱和亚硝酸钠溶液与饱和氯化铵溶液制取的化学方程式： 。 (2)氮气和氢气通过乙装置，乙装置的作用除了将气体混合外，还有 、 。 II．氨的催化氧化 (3)氨合成器出来经冷却的气体连续通入丙装置的水中，吸收氨气不会发生倒吸，原因是 。 (4)用丙装置吸收一段时间氨后，再通入空气，同时将经加热的铂丝插入丙装置的锥形瓶内，铂丝表面发生主要反应的化学方程式为 ，能使铂丝保持红热的原因是 ，锥形瓶中还可观察到的现象是 。 (5)反应结束后锥形瓶中的溶液含有的离子有、、 、 。 题型05 化学反应选择与条件优化 （1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。 （2）原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。 （3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。 （4）根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。 影响 因素 有利于加快反应速率的控制 有利于平衡移动条件的控制 综合分析结果 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度、减小生成物浓度 不断补充反应物、及时分离出生成物 压强 高压(有气体参加) ΔV<0 高压 设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔV>0 低压 兼顾速率和平衡、选取适宜的压强 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，尽量采取高温并选取合适催化剂 催化剂 加合适的催化剂 无影响 加合适的催化剂， 考虑催化剂活性与温度关系 【归纳总结】 （1）化工生产适宜条件选择的一般原则 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性受温度的限制 （2）控制反应条件的基本措施 控制化学反应速率的措施 通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率 提高转化率的措施 通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率 （3）催化剂的活性与“中毒” 催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因吸附或沉积少量的杂质(毒物)而使活性明显下降甚至丧失的现象，称为催化剂“中毒”。为了防止催化剂“中毒”，合成氨的原料气、硫酸工业中从沸腾炉排出来的炉气都必须经过净化。 【典例5】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5-1】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 【变式5-2】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5-3】工业上通常将水蒸气喷入灼热的炭层以生产水煤气，反应为：C(s)+H2O(g)⇌CO(g)+H2(g) △H＞0。下列有关说法正确的是 A．该反应平衡常数k=c(CO)·c(H2) B．高压条件有利于工业生产水煤气 C．在较高温度时该反应可以自发进行 D．因正向熵增加，故任何温度下都能自发发生 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$