2.4 工业合成氨（导学案）化学沪科版2020选择性必修1

2.4 工业合成氨 一、知识目标 1.了解合成氨的发展历程，掌握合成氨反应的特点以及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。 2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。 3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。 4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上了解合成氨工业的生产流程和条件，从微观上理解合成氨反应的原理和影响因素。 2.证据推理与模型认知：通过对合成氨反应条件的分析和选择，建立化工生产中调控反应的思维模型，培养证据推理能力。 3.科学探究与创新意识：了解合成氨发展历程中的困难和突破，体会科学探究的艰辛和创新的重要性。 4.科学态度与社会责任：认识合成氨工业对人类社会的重要贡献，同时关注其可能带来的环境问题，培养社会责任感。 一、学习重点 1.合成氨反应条件的选择依据。 2.合成氨的适宜条件。 3.合成氨生产的工艺流程。 4.化工生产中调控反应的一般思路。 二、学习难点 理解合成氨反应条件选择时需要综合考虑反应速率、化学平衡、设备可行性和成本核算等多方面因素。 一、工业合成氨 1．合成氨反应的特点 合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 自发性 常温(298 K)下，ΔH－TΔS ，能 进行 可逆性 反应为 反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 体积变化(熵变) ΔS＜0，正反应是气体体积 的反应 2．浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和氨的含量的影响 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应 、提高平衡混合物中 的含量，请填写下表。 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率反应速率 反应物浓度 温度 压强 使用 提高平衡混合物中中氨的含量 增大反应物浓度， 降低生成物浓度 温度 压强 无影响 3．数据分析 在不同温度和 下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中 的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是 、 ；提高平衡混合物中氨的含量的条件是 、 。二者在温度这一措施上是不一致的。 4．工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的 越大，会增加生产投资，并可能 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为 MPa 温度 原理分析 ① 有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故 ③催化剂的 在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为 ℃(此温度下催化剂的 ) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然 。 使用 在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以 为主体的多成分催化剂，又称 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过 ) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中 的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速 的方法，使气态氨变成 后及时从平衡混合物中分离出去 将 分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的 (既提高了原料的 ，又提高了 ，有利于合成氨反应) 二、合成氨的工艺流程 （1）造气 原料气中氮气来自空气，从空气中获得氮气通常有两种方法:一是将空气液化、蒸发，分离出氮气;二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。而氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为: H2O + CH4CO +3H2 H2O+COCO2 +H2 （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 净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，加压后的H2、N2，需加热到催化剂的活性温度后才能进入氨合成塔中的催化区，在催化剂表面反应生成氨。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。 未来：研制在更低温度和压强下具有更高活性的催化剂。 三、工业生产中适宜生产条件的选择思路 （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 （一）课堂导入 问题思考 1.在日常生活中，我们采取了哪些措施来调控化学反应？请举例说明。 2.研究化学反应速率与化学平衡在化工生产中有什么作用？ 3.合成氨工业对人类社会有什么重要意义？ （二）合成氨适宜生产条件的选择 活动一：合成氨发展历程引入 问题探究 1.请查阅资料，简单介绍合成氨的发展历程，包括生物固氮、德国A.弗兰克的氰化法、哈伯用锇催化剂合成氨、哈伯 - 博施法等内容。 2.如何辩证地看待哈伯这位科学家？ 问题思考 从合成氨发展历程来看，合成氨过程非常不易，那么工业合成氨生产条件应该如何选择呢？ 针对训练1 合成氨技术的发明对人类社会的发展产生了深远影响。下列关于合成氨发展历程的说法错误的是（ ） A. 20世纪以前主要是生物固氮 B. 哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 - 20MPa和500 - 600°C下直接合成氨 C. 哈伯 - 博施法中使用的是铁基催化剂 D. 卡尔·博施没有对合成氨技术做出贡献 活动二：合成氨反应条件与原理分析 - 判断化学反应进行的方向 问题思考 1.已知自然固氮反应(N2 + O2 ⇌2NO)，(H = +180.5 kJ/mol)，(S = +247.7 J/(molK))；工业合成氨反应(N2 + 3H2 ⇌2NH3)，(H = -92.2 kJ/mol)，(S = -198.2 J/(molK))。根据所学的化学反应方向的判断方法，这两个反应在什么条件下能自发进行呢？ 2.平衡常数与反应进行的程度有什么关系呢？ 3.从反应进行方向和限度来看，合成氨反应方案在热力学层面是否可行？为什么实验室模拟发现室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气？ 针对训练2 已知反应(N2 + 3H2 ⇌2NH3)，(H = -92.2 kJ/mol)，(S = -198.2 J/(molK))。下列说法正确的是（ ） A. 该反应在任何温度下都能自发进行 B. 该反应在低温下能自发进行 C. 该反应在高温下能自发进行 D. 该反应不能自发进行 活动三：合成氨反应条件与原理分析 - 合成氨条件的选择 问题思考 1.从合成氨反应中浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和平衡混合物中氨含量的影响表格中，我们可以看出温度、压强对反应速率和氨含量分别有什么影响呢？ 2.在实际生产中，压强和温度应该如何选择呢？ 3.为了提高氨气的产量，还可以采取哪些措施？ 针对训练3 在合成氨反应中，下列说法正确的是（ ） A. 增大压强，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 B. 升高温度，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动 C. 加入催化剂，反应速率增大，平衡不移动 D. 增大氮气浓度，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 （三）工业合成氨的生产流程 活动一：原料气的制备 问题思考 1.工业合成氨原料气中氮气和氢气分别有哪些制备方法？ 2.这两种制备氢气的方法在生产成本上有什么不同呢？ 针对训练1 工业合成氨中，下列关于原料气制备的说法错误的是（ ） A. 氮气可以通过将空气液化、蒸发分离得到 B. 氢气可以用天然气为原料制取 C. 用碳和水反应制取氢气成本较低 D. 制备氢气的过程中涉及化学反应 活动二：生产流程 问题思考 1.工业合成氨的生产流程是怎样的？ 2.每个环节的作用分别是什么？ 3.在整个生产流程中，哪个环节对提高原料利用率起到关键作用呢？ 针对训练2 在工业合成氨的生产流程中，下列说法正确的是（ ） A. 净化除杂环节主要是除去氢气中的杂质 B. 压缩环节的压强越大越好 C. 合成环节中催化剂的活性与温度无关 D. 循环压缩环节可以提高原料的利用率 1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ） A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行 B. 恒容条件下充入稀有气体有利于NH₃的合成 C. 合成氨厂一般采用的压强为10MPa - 30Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D. 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 2.某工业生产中发生反应：(2A(g)+B(g) ⇌M(g)H<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廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高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. 工业生产中使用催化剂可提高M的日产量 3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是(SO₂)的催化氧化：(2SO₂(g)+O₂(g) ⇌2SO₃(g)H<0)。下列说法正确的是（ ） A. 反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益 B. 反应放热，为提高(SO₂)转化率，应尽可能在较低温度下反应 C. 工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度 D. 沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室 4.中国科学家在合成氨([N₂(g)+3H₂(g) ⇌2NH₃(g)H<0])反应机理的研究中取得新进展，首次报道了LiH - 3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（ ） A. 转化过程中有非极性键的断裂与形成 B. 复合催化剂降低了反应的活化能 C. 复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D. 低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 5.常压下羰基化法精炼镍的原理为(Ni(s)+4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g))。230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10⁻⁵)。已知：(Ni(CO)₄)的沸点为42.2°C，固体杂质不参与反应。 第一阶段：将粗镍与CO反应转化成气态(Ni(CO)₄)； 第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230°C制得高纯镍。 下列判断不正确的是（ ） A. 该反应达到平衡时，(v{分解}[Ni(CO)₄]=4v{消耗}(CO) B. 第一阶段应选择稍高于42.2°C的反应温度 C. 第二阶段，230°C时Ni(CO)₄分解率较高 D. 其他条件不变，增大c(CO)，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变 一、合成氨反应的特点 1.反应：N2+3H22NH3 2.特点：（1）可逆反应；（2）放热反应：ΔH<0；（3）熵减小的反应：ΔS<0 二、合成氨反应特点的分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 三、工业合成氨的适宜条件 压强：10-30MPa 温度：400-500℃ 催化剂：铁触媒（500℃左右时的活性最大） 工业上选择适宜生产条件的原则 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、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂 温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 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) 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 四、合成氨的生产流程 1.生产流程 2.流程分析 （1）原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 （2）压缩机加压： （3）热交换：合成氨反应为 ，反应体系温度逐渐 ，为原料气反应提供热量，故 可充分利用能源，提高经济效益。 （4）冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取 的方法，可使 后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 （5）循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将 后的原料气循环利用，并及时 使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 五、影响化学反应进行的两个因素 1.参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 2.温度、压强、浓度、催化剂等反应条件 六、化学反应的调控 1.定义：就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 2.考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 考点一　合成氨条件的选择 1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　) A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ 2．合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述中，不正确的是(　　) A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应 B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率 C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率 D．铁触媒的使用有利于提高合成氨的生产效率 3．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400～500 ℃，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越大，产率越高，无需考虑设备、条件 4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 考点二　以合成氨为背景的综合题 1．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 2．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　) 选项 A B C D 研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响 图示 3.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B) C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大 D．升高温度，平衡常数K增大 4．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)　ΔH<0,673 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 5.在N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　) A．改变条件后速率—时间图像如图所示 B．此过程中Q>K C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的转化率增大 考点三　化学反应的调控 1．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是(　　) A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气 B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量 C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强 D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) ⇌CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 3．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g) ⇌CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　) A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大 C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率 4．如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： （1）若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 （2）图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 （3）合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ （4）合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 2.4 工业合成氨 一、知识目标 1.了解合成氨的发展历程，掌握合成氨反应的特点以及反应条件对反应速率和化学平衡的影响。 2.理解合成氨反应条件选择的依据，掌握合成氨的适宜条件，包括温度、压强、催化剂和浓度等。 3.熟悉合成氨生产的工艺流程，包括原料气的制备、净化除杂、压缩、合成、冷却分离和循环压缩等环节。 4.掌握化工生产中调控反应的一般思路，包括考虑反应的可行性、化学平衡、反应速率、设备可行性和成本核算等方面。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上了解合成氨工业的生产流程和条件，从微观上理解合成氨反应的原理和影响因素。 2.证据推理与模型认知：通过对合成氨反应条件的分析和选择，建立化工生产中调控反应的思维模型，培养证据推理能力。 3.科学探究与创新意识：了解合成氨发展历程中的困难和突破，体会科学探究的艰辛和创新的重要性。 4.科学态度与社会责任：认识合成氨工业对人类社会的重要贡献，同时关注其可能带来的环境问题，培养社会责任感。 一、学习重点 1.合成氨反应条件的选择依据。 2.合成氨的适宜条件。 3.合成氨生产的工艺流程。 4.化工生产中调控反应的一般思路。 二、学习难点 理解合成氨反应条件选择时需要综合考虑反应速率、化学平衡、设备可行性和成本核算等多方面因素。 一、工业合成氨 1．合成氨反应的特点 合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 自发性 常温(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行 可逆性 反应为可逆反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 体积变化(熵变) ΔS＜0，正反应是气体体积缩小的反应 2．浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和氨的含量的影响 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率反应速率 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用 提高平衡混合物中中氨的含量 增大反应物浓度， 降低生成物浓度 降低温度 增大压强 无影响 3．数据分析 在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。 4．工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大越好 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的动力越大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa 温度 原理分析 ①降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故温度不宜过低 ③催化剂的活性在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃(此温度下催化剂的活性最大) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 使用催化剂在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 二、合成氨的工艺流程 （1）造气 原料气中氮气来自空气，从空气中获得氮气通常有两种方法:一是将空气液化、蒸发，分离出氮气;二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。而氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为: H2O + CH4CO +3H2 H2O+COCO2 +H2 （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 净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，加压后的H2、N2，需加热到催化剂的活性温度后才能进入氨合成塔中的催化区，在催化剂表面反应生成氨。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。 未来：研制在更低温度和压强下具有更高活性的催化剂。 三、工业生产中适宜生产条件的选择思路 （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 （一）课堂导入 问题思考 1.在日常生活中，我们采取了哪些措施来调控化学反应？请举例说明。 答案：为了延长食物的储存时间，我们会把食物放在冰箱里降温；为了防止铁制品生锈，我们会给它们刷上油漆；发生火灾时，我们会通过降低温度的方式来灭火。 2.研究化学反应速率与化学平衡在化工生产中有什么作用？ 答案：在化工生产中，我们可以利用化学反应速率与化学平衡的知识来调控反应，加快并优化所需反应，抑制不利副反应，进而提升产品的产量和质量，实现综合效益与化工技术的绿色化。 3.合成氨工业对人类社会有什么重要意义？ 答案：在20世纪以前，人类主要依靠生物固氮来获取氮肥，农业生产受到很大限制。直到后来合成氨技术的出现，才使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了数十亿人口。 （二）合成氨适宜生产条件的选择 活动一：合成氨发展历程引入 问题探究 1.请查阅资料，简单介绍合成氨的发展历程，包括生物固氮、德国A.弗兰克的氰化法、哈伯用锇催化剂合成氨、哈伯 - 博施法等内容。 答案：生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程，这是自然界中氮循环的重要环节，但效率相对较低，无法满足大规模农业生产的需求。德国A.弗兰克的氰化法是早期尝试人工合成氨的方法之一，但存在成本高、产率低等问题。1908年，德国化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 - 20MPa和500 - 600°C下直接合成氨，但产率极低，只有6%。后来，卡尔·博施经过多年努力，改进了哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为“哈伯 - 博施法”。 2.如何辩证地看待哈伯这位科学家？ 答案：哈伯既是第一个从空气中制造出氨气的科学家，使人类摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，养活了20亿人，获得诺贝尔化学奖，为人类的发展做出了巨大贡献；但同时在一战中，他任化学兵工厂厂长发明了化学武器，造成近百万人伤亡，给人类带来了巨大的灾难。因此，我们应该辩证地看待他，既要肯定他在科学研究上的成就，也要认识到他的行为在道德和伦理上的错误。 问题思考 从合成氨发展历程来看，合成氨过程非常不易，那么工业合成氨生产条件应该如何选择呢？ 答案：需要考虑反应的效率、产率等方面，还需要综合考虑反应速率、化学平衡、设备可行性和成本核算等多方面因素。 针对训练1 合成氨技术的发明对人类社会的发展产生了深远影响。下列关于合成氨发展历程的说法错误的是（ ） A. 20世纪以前主要是生物固氮 B. 哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 - 20MPa和500 - 600°C下直接合成氨 C. 哈伯 - 博施法中使用的是铁基催化剂 D. 卡尔·博施没有对合成氨技术做出贡献 答案：D 解析：卡尔·博施改进哈伯首创的高压合成氨催化方法，利用氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，化学上称为“哈伯 - 博施法”，所以D选项说法错误。A、B、C选项均符合合成氨发展历程的事实。 活动二：合成氨反应条件与原理分析 - 判断化学反应进行的方向 问题思考 1.已知自然固氮反应(N2 + O2 ⇌2NO)，(H = +180.5 kJ/mol)，(S = +247.7 J/(molK))；工业合成氨反应(N2 + 3H2 ⇌2NH3)，(H = -92.2 kJ/mol)，(S = -198.2 J/(molK))。根据所学的化学反应方向的判断方法，这两个反应在什么条件下能自发进行呢？ 答案：对于自然固氮反应，(H>0)，(S>0)，根据(G = H - TS)，当(T)较大时，(G<0)，反应能自发进行，即高温下反应能自发进行；对于工业合成氨反应，(H<0)，(S<0)，当(T)较小时，(G<0)，反应能自发进行，即低温下反应能自发进行。 2.平衡常数与反应进行的程度有什么关系呢？ 答案：平衡常数(K)越大，反应进行的越完全。 3.从反应进行方向和限度来看，合成氨反应方案在热力学层面是否可行？为什么实验室模拟发现室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气？ 答案：从反应进行方向看，根据(G = H - TS)，(G<0)时反应能自发进行；从反应限度看，合成氨反应(K)值较大，反应进行的完全，方案在热力学层面可行。但科学家在实验室模拟发现，室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气，这说明反应速率过慢且产氨率较低（动力学层面）。 针对训练2 已知反应(N2 + 3H2 ⇌2NH3)，(H = -92.2 kJ/mol)，(S = -198.2 J/(molK))。下列说法正确的是（ ） A. 该反应在任何温度下都能自发进行 B. 该反应在低温下能自发进行 C. 该反应在高温下能自发进行 D. 该反应不能自发进行 答案：B 解析：根据(G = H - TS)，(H = -92.2 kJ/mol)，(S = -198.2 J/(molK))，当温度较低时，(G<0)，反应能自发进行，所以B选项正确。 活动三：合成氨反应条件与原理分析 - 合成氨条件的选择 问题思考 1.从合成氨反应中浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和平衡混合物中氨含量的影响表格中，我们可以看出温度、压强对反应速率和氨含量分别有什么影响呢？ 答案：温度一定，随压强越大，反应速率增大，氨的含量升高；压强一定，随温度升高，反应速率增大，氨的含量逐渐降低。 2.在实际生产中，压强和温度应该如何选择呢？ 答案：压强不能太大，因为对材料和设备要求高，成本大；温度不能太低，因为反应速率慢，也不能太高，会使催化剂活性减弱。合成氨厂一般采用的压强为20MPa - 50MPa，实际生产中一般采用的温度为400 - 500°C。 3.为了提高氨气的产量，还可以采取哪些措施？ 答案：还可以增大氮气浓度、液化氨气及时从混合物中分离出去，实际生产中维持氢氮比为2.8 - 2.9。 针对训练3 在合成氨反应中，下列说法正确的是（ ） A. 增大压强，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 B. 升高温度，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动 C. 加入催化剂，反应速率增大，平衡不移动 D. 增大氮气浓度，反应速率减小，平衡向生成氨的方向移动 答案：C 解析：增大压强，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动，A选项错误；升高温度，反应速率增大，但该反应是放热反应，平衡向逆反应方向移动，B选项错误；加入催化剂，能降低反应的活化能，反应速率增大，但不影响平衡移动，C选项正确；增大氮气浓度，反应速率增大，平衡向生成氨的方向移动，D选项错误。 （三）工业合成氨的生产流程 活动一：原料气的制备 问题思考 1.工业合成氨原料气中氮气和氢气分别有哪些制备方法？ 答案：对于氮气，有将空气液化、蒸发分离出氮气，以及将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮气两种方法；对于氢气，以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为(CH_4 + H2O(g) ⇌CO + 3H2)，(CO + H2O(g) ⇌CO2 + H2)。 2.这两种制备氢气的方法在生产成本上有什么不同呢？ 答案：以天然气为原料制取氢气生产成本低，而用碳和水反应制取氢气成本较高。 针对训练1 工业合成氨中，下列关于原料气制备的说法错误的是（ ） A. 氮气可以通过将空气液化、蒸发分离得到 B. 氢气可以用天然气为原料制取 C. 用碳和水反应制取氢气成本较低 D. 制备氢气的过程中涉及化学反应 答案：C 解析：用碳和水反应制取氢气成本较高，以天然气为原料制取氢气生产成本低，所以C选项说法错误。A、B、D选项均符合原料气制备的事实。 活动二：生产流程 问题思考 1.工业合成氨的生产流程是怎样的？ 答案：工业合成氨的生产流程为造气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩。 2.每个环节的作用分别是什么？ 答案：净化除杂是为了防止催化剂中毒；压缩是为了增加原料利用率；合成是在铁触媒、400 - 500°C、10MPa - 30MPa条件下进行；冷却分离是将氨气液化分离出来；循环压缩是让未反应的氮气和氢气经过循环反应，提高原料的转化率。 3.在整个生产流程中，哪个环节对提高原料利用率起到关键作用呢？ 答案：循环压缩环节。 针对训练2 在工业合成氨的生产流程中，下列说法正确的是（ ） A. 净化除杂环节主要是除去氢气中的杂质 B. 压缩环节的压强越大越好 C. 合成环节中催化剂的活性与温度无关 D. 循环压缩环节可以提高原料的利用率 答案：D 解析：净化除杂是为了防止催化剂中毒，除去原料气中的杂质，不只是氢气中的杂质，A选项错误；压缩环节压强不能太大，因为对材料和设备要求高，成本大，B选项错误；合成环节中催化剂的活性与温度有关，温度过高或过低都会影响催化剂活性，C选项错误；循环压缩环节可以让未反应的原料气再次参与反应，提高原料的利用率，D选项正确。 1.下列有关合成氨工业的说法正确的是（ ） A. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温或常温时可自发进行 B. 恒容条件下充入稀有气体有利于NH₃的合成 C. 合成氨厂一般采用的压强为10MPa - 30Mpa，因为该压强下铁触媒的活性最高 D. 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 【答案】A 【解析】A. 工业合成氨的反应方程式为(N₂ + 3H₂⇌2NH₃)，反应后气体分子数减少，是熵减小的反应，且(H<0)，根据(G=H - TS)，在低温或常温时(G<0)，反应可自发进行，A选项正确；B. 恒容条件下充入稀有气体，各物质的浓度不变，反应速率和化学平衡都不移动，不利于(NH₃)的合成，B选项错误；C. 合成氨厂一般采用20MPa - 50MPa的压强，是因为压强越大，反应速率越快，平衡越有利于向生成氨的方向移动，但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，成本也越高，而铁触媒的活性最高的温度是400 - 500°C，与压强无关，C选项错误；D. 充入过多的(N₂)会使体系中(N₂)的含量过高，可能会导致设备利用率降低，成本增加，并非充入的(N₂)越多越有利于(NH₃)的合成，D选项错误。 2.某工业生产中发生反应：(2A(g)+B(g) ⇌M(g)H<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廉价易得，工业上一般采用加入过量的B的方式来提高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. 工业生产中使用催化剂可提高M的日产量 【答案】D 【解析】A. 虽然增大压强平衡向正反应方向移动，有利于(M)的生成，但如果反应本身在常压下就能有较高的转化率，或者增大压强对设备要求过高、成本过大，就不一定采用高压条件，A选项错误；B. 加入过量的(B)，可以提高(A)的转化率，但(B)的转化率会降低，B选项错误；C. 该反应(H<0)，是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，反应物的转化率降低，C选项错误；D. 使用催化剂能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，从而提高(M)的日产量，D选项正确。 3.如图所示为接触法制硫酸的设备和工艺流程，其中关键步骤是(SO₂)的催化氧化：(2SO₂(g)+O₂(g) ⇌2SO₃(g)H<0)。下列说法正确的是（ ） A. 反应后气体分子数减少，增大反应容器内压强一定有利于提高生产效益 B. 反应放热，为提高(SO₂)转化率，应尽可能在较低温度下反应 C. 工业生产要求高效，为加快反应速率，应使用催化剂并尽可能提高体系温度 D. 沸腾炉流出的气体必须经过净化，并补充适量空气，再进入接触室 【答案】D 【解析】A. 增大压强虽然能使平衡向生成(SO₃)的方向移动，但对设备的要求会提高，成本增加，不一定能提高生产效益，A选项错误；B. 降低温度平衡向正反应方向移动，能提高(SO₂)的转化率，但温度过低，反应速率太慢，达到平衡所需时间过长，工业生产中不经济，B选项错误；C. 该反应是放热反应，温度过高会使平衡逆向移动，降低(SO₂)的转化率，所以不能尽可能提高体系温度，C选项错误；D. 沸腾炉流出的气体中含有杂质，会使催化剂中毒，所以必须经过净化，并补充适量空气，增大反应物(O₂)的浓度，使平衡正向移动，提高(SO₂)的转化率，D选项正确。 4.中国科学家在合成氨([N₂(g)+3H₂(g) ⇌2NH₃(g)H<0])反应机理的研究中取得新进展，首次报道了LiH - 3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（ ） A. 转化过程中有非极性键的断裂与形成 B. 复合催化剂降低了反应的活化能 C. 复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D. 低温下合成氨，能提高原料的平衡转化率 【答案】C 【解析】A. 合成氨反应中，(N≡N)非极性键断裂，(H - H)非极性键断裂，生成(N - H)极性键，同时在反应过程中可能存在非极性键的形成，A选项正确；B. 催化剂的作用是降低反应的活化能，从而加快反应速率，复合催化剂也不例外，B选项正确；C. 催化剂只能改变反应的活化能和反应速率，不能改变反应的焓变，焓变只与反应物和生成物的能量有关，C选项错误；D. 该反应(H<0)，是放热反应，降低温度平衡向正反应方向移动，能提高原料的平衡转化率，D选项正确。 5.常压下羰基化法精炼镍的原理为(Ni(s)+4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g))。230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10⁻⁵)。已知：(Ni(CO)₄)的沸点为42.2°C，固体杂质不参与反应。 第一阶段：将粗镍与CO反应转化成气态(Ni(CO)₄)； 第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230°C制得高纯镍。 下列判断不正确的是（ ） A. 该反应达到平衡时，(v{分解}[Ni(CO)₄]=4v{消耗}(CO) B. 第一阶段应选择稍高于42.2°C的反应温度 C. 第二阶段，230°C时Ni(CO)₄分解率较高 D. 其他条件不变，增大c(CO)，平衡正向移动，该反应的平衡常数不变 【答案】A 【解析】A. 反应达到平衡时，正逆反应速率相等，根据化学计量数之比等于反应速率之比，应该是(4v{分解}[Ni(CO)₄]=v{消耗}(CO)，A选项错误；B. (Ni(CO)₄)的沸点为42.2°C，第一阶段要使(Ni(CO)₄)变为气态，应选择稍高于42.2°C的反应温度，B选项正确；C. 230°C时，该反应的平衡常数(K = 2×10⁻⁵)，说明平衡时(Ni(CO)₄)的浓度较小，即(Ni(CO)₄)分解率较高，C选项正确；D. 平衡常数只与温度有关，其他条件不变，增大(c(CO))，平衡正向移动，但平衡常数不变，D选项正确。 一、合成氨反应的特点 1.反应：N2+3H22NH3 2.特点：（1）可逆反应；（2）放热反应：ΔH<0；（3）熵减小的反应：ΔS<0 二、合成氨反应特点的分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大 降低 增大 无影响 三、工业合成氨的适宜条件 压强：10-30MPa 温度：400-500℃ 催化剂：铁触媒（500℃左右时的活性最大） 工业上选择适宜生产条件的原则 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、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 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) Δνg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δνg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 四、合成氨的生产流程 1.生产流程 2.流程分析 （1）原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 （2）压缩机加压：增大压强 （3）热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 （4）冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 （5）循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 五、影响化学反应进行的两个因素 1.参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素 2.温度、压强、浓度、催化剂等反应条件 六、化学反应的调控 1.定义：就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。 2.考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。 考点一　合成氨条件的选择 1．下列所示是哈伯法制氨的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　) A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ 答案　B 解析　②④⑤操作均有利于化学平衡向合成氨的方向移动，提高转化率。 2．合成氨问题，关乎到世界化工发展和粮食安全问题。下列对合成氨工业的叙述中，不正确的是(　　) A．高压条件比常压条件更有利于合成氨的反应 B．合成氨时采用循环操作，可以提高原料利用率 C．工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高合成氨的转化率 D．铁触媒的使用有利于提高合成氨的生产效率 答案　C 解析　合成氨的反应为气体分子数减小的反应，增大压强有利于反应正向进行，A正确；合成氨的反应为可逆反应，原料不能完全反应，采用循环操作，可以提高原料利用率，B正确；合成氨的反应为放热反应，升温会使平衡逆向移动，工业生产采用500 ℃而不采用常温，是为了提高反应速率，C错误；铁触媒为催化剂，可以大大提高反应速率，有利于提高合成氨的生产效率，D正确。 3．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400～500 ℃，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越大，产率越高，无需考虑设备、条件 答案　B 解析　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，但将生成的NH3分离，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率较高，A项错误、B项正确；合成氨工业选择400～500 ℃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10～30 MPa，D项错误。 4．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　) A．铁作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．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间 D．合成氨采用的压强是1×107～3×107 Pa，因为该压强下铁触媒的活性最高 答案　C 解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强反应速率加快，C项正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非压强的大小，D项错误。 考点二　以合成氨为背景的综合题 1．对于合成氨反应，达到平衡后，以下分析正确的是(　　) A．升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．增大压强，对正反应的反应速率影响更大 C．减小反应物浓度，对逆反应的反应速率影响更大 D．加入催化剂，对逆反应的反应速率影响更大 答案　B 解析　A项，合成氨反应的正反应是放热反应，升高温度，正、逆反应的反应速率都增大，但是温度对吸热反应的速率影响更大，所以对该反应来说，升高温度对逆反应的反应速率影响更大，错误；B项，合成氨的正反应是气体体积减小的反应，增大压强，对正反应的反应速率影响更大，正确；C项，减小反应物浓度，正反应速率瞬间减小，由于生成物的浓度没有变化，所以逆反应速率瞬间不变，然后逐渐减小，故减小反应物浓度，对正反应的反应速率影响更大，错误；D项，加入催化剂，对正、逆反应的反应速率影响相同，错误。 2．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是(　　) 选项 A B C D 研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响 图示 答案　C 解析　A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大N2的量，会使正反应速率瞬间增大，化学平衡右移，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。 3.某温度下，对于反应N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。N2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是(　　) A．将1 mol氮气、3 mol氢气置于1 L密闭容器中发生反应，放出的热量为92.4 kJ B．平衡状态由A变为B时，平衡常数K(A)<K(B) C．上述反应在达到平衡后，增大压强，H2的转化率增大 D．升高温度，平衡常数K增大 答案　C 解析　该反应为可逆反应，加入的1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成NH3，所以反应放出的热量小于92.4 kJ，A项错误；从状态A到状态B，改变的是压强，温度未发生变化，所以平衡常数不变，B项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，H2的转化率增大，C项正确；升高温度，平衡逆向移动，K减小，D项错误。 4．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)　ΔH<0,673 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 答案　C 解析　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项错误；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；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.在N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3(g)　ΔH<0的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法正确的是(　　) A．改变条件后速率—时间图像如图所示 B．此过程中Q>K C．平衡体系中NH3的含量增大 D．N2的转化率增大 答案　D 解析　分离出NH3，Q<K，v正>v逆，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，由于分离出NH3，体系中NH3的含量减小。 考点三　化学反应的调控 1．下列关于化学反应的调控措施说法不正确的是(　　) A．硫酸工业中，为提高SO2的转化率，通入过量的空气 B．工业上增加炼铁高炉的高度可以有效降低尾气中CO的含量 C．合成氨工业中，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强 D．合成氨工业中，为提高氮气和氢气的利用率，采用循环操作 答案　B 解析　反应2SO2＋O2⇌2SO3，通入过量的空气，反应正向进行，SO2的转化率提高，A项正确；高炉炼铁过程中发生反应：Fe2O3(s)＋3CO(g) ⇌2Fe(s)＋3CO2(g)，达到平衡后，增加高炉的高度不能降低炼铁尾气中CO的含量，B项错误；工业合成氨，从生产实际条件考虑，不盲目增大反应压强，若压强过大，不仅会增大能源消耗，还会增大动力消耗，对设备的要求也高，C项正确；工业合成氨是可逆反应，原料不能完全转化为产物，采用氮气和氢气循环操作的主要目的是提高氮气和氢气的利用率，D项正确。 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g) ⇌CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 答案　B 3．纳米钴常用于CO加氢反应的催化剂：CO(g)＋3H2(g) ⇌CH4(g)＋H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　) A．纳米技术的应用，优化了催化剂的性能，提高了反应的转化率 B．缩小容器体积，平衡向正反应方向移动，CO的浓度增大 C．从平衡体系中分离出H2O(g)能加快正反应速率 D．工业生产中采用高温条件下进行，其目的是提高CO的平衡转化率 答案　B 解析　催化剂的优化不影响平衡的移动，不能提高反应物的转化率，A项错误；缩小容器体积即增大压强，平衡向气体体积减小的方向即正向移动，体系中各组分浓度均增大，B项正确；减小c(H2O)时正反应速率瞬间不变，v逆减小，平衡正向移动，C项错误；升高温度，平衡逆向移动，CO的平衡转化率降低，D项错误。 4．如图表示298.15 K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线图，据图回答下列问题： （1）若反应中生成2 mol氨，则反应________(填“吸热”或“放热”)________kJ。 （2）图中曲线________(填“a”或“b”)表示加入铁触媒的能量变化曲线，铁触媒能加快反应速率的原理是____________________________________________________________。 （3）合成氨反应中平衡混合物中氨气的体积分数与压强、温度的关系如图所示。若曲线a对应的温度为500 ℃，则曲线b对应的温度可能是________(填字母)。 A．600 ℃ B．550 ℃ C．500 ℃ D．450 ℃ （4）合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制备，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0。一定温度下，在1 L容器中发生上述反应，各物质的物质的量浓度变化如下表： t/min CH4/(mol·L－1) H2O/(mol·L－1) CO/(mol·L－1) H2/(mol·L－1) 0 0.2 0.3 0 0 2 n1 n2 n3 0.3 3 n1 n2 n3 0.3 4 0.09 0.19 x 0.33 ①表中x＝________mol·L－1；前2 min内CH4的平均反应速率为______________。 ②反应在3～4 min之间，氢气的物质的量增多的原因可能是________(填字母)。 A．充入水蒸气 B．升高温度 C．使用催化剂 D．充入氢气 答案　（1）放热　92　（2）b　改变了反应的历程，降低了合成氨反应的活化能　（3）D　（4）①0.11　0.05 mol·L－1· min－1　②B 解析　（1）由图中能量状态可知N2(g)与3H2(g)具有的总能量高于2NH3(g)所具有的能量，故该反应为放热反应，并且反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)每生成2 mol NH3放出(600－508) kJ＝92 kJ热量。（2）合成氨反应中，加入铁触媒后，由于改变了反应历程，使反应的活化能降低，从而加快了反应速率，故曲线b代表加催化剂后的能量变化曲线。（3）对于合成氨反应，当其他条件不变时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡混合物中NH3的体积分数降低。图像中，当压强不变时，曲线b对应的温度下平衡混合物中NH3的体积分数大于曲线a对应的NH3的体积分数，所以曲线b对应的温度低于曲线a对应的温度。（4） ①前2 min内CH4的反应速率为v(CH4)＝v(H2)＝×＝0.05 mol·L－1· min－1。由表分析2～3 min时，反应达到平衡状态，此时生成H2的浓度为0.3 mol·L－1。 　　　　　　 CH4(g)＋H2O (g)CO(g)＋3H2(g) 起始浓度/mol·L－1　 0.2　　　0.3　　　　0　　　 0 转化浓度/mol·L－1 0.1 0.1 0.1 0.3 2和3 min浓度/(mol·L－1) 0.1 0.2 0.1 0.3 3～4 min转化浓度/mol·L－1 0.01 0.01 0.01 0.03 4 min时浓度/mol·L－1 0.09 0.19 0.11 0.33 所以x＝0.11。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$