2.4 工业合成氨（一）（同步讲义）化学沪科版2020选择性必修1

第二章 化学反应的方向、限度和速率 第四节 工业合成氨 第1课时 合成氨适宜生成条件的选择 教学目标 1. 能够掌握化学反应调控的基本原理和方法，理解不同因素对化学反应的影响。 2. 能够运用所学知识，分析和解决化学反应中的实际问题，培养学生的实验操作能力和科学思维能力。 重点和难点 条件对于平衡的影响、条件对于速率的影响、条件对于设备等的影响 ◆知识点一 氮的存在和固定 1．存在 主要以游离态存在于空气中，大气中氮气占空气体积的78%。 2．氮的固定 （1）概念：氮的固定是指将游离态氮转变为化合态氮的方法。 （2）分类 生物固氮 氮的固定 大气固氮 人工固氮 特别提醒/易错提醒/教材延伸 氮的固定是指N2转化为氮的化合物的过程，植物吸收的氮肥不一定是N2. 即学即练 1．有关工业固氮的说法正确的是 A．使用铁催化剂可提高反应物的转化率 B．循环使用、可提高的产率 C．温度控制在左右有利于反应向正方向进行 D．增大压强有利于加快反应速率，所以压强越大越好 【答案】B 【解析】A．使用铁催化剂可提高反应物的速率，对转化率无影响，故A错误； B．循环使用N2、H2，可使反应物尽可能转化为生成物，则可提高氨的产率，故B正确； C．合成氨反应为放热反应，温度控制在500℃左右与催化剂活性、反应速率有关，而升高温度合成氨反应逆向移动，故C错误； D．压强越大，对设备的要求越高，成本越高，因此压强不是越大越好，故D错误； 故选B。 2．合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A．降低氮的沸点 B．降低该反应的焓变 C．提高氮气和氢气的利用率 D．减少平衡混合物中氨气的含量 【答案】C 【解析】A．沸点是物理性质，固有属性，循环操作不能改变沸点，A错误； B．合成氨工业中采用循环操作，平衡不发生移动，该反应的焓变不变，B错误； C．合成氨反应是可逆反应，不能进行彻底，合成氨工业上采用循环操作，使未反应的N2和H2重新被利用，可以提高氮气与氢气的使用效率，C正确； D．合成氨工业中采用循环操作，平衡不移动，平衡混合物中氨气的含量不变，D错误； 答案选C。 ◆知识点二 合成氨反应的特点 N2(g) +3H2(g)2NH3(g) ΔH<0 从化学方程式可知，合成氨反应的特点有：可逆反应、正反应气态物质的体积减少、正反应是放热反应、熵减。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 合成氨是个熵减的反应。 即学即练 1．下列关于工业合成氨的说法正确的是 A．工业合成氨采用10～30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 B．选择不同的催化剂会改变此反应△H的数值 C．合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率 D．合成氨工业中液化分离出氨，提高产率 【答案】D 【解析】A．合成氨工业采用，使反应速率快，且有利于提高平衡混合物中氨的含量，不是因为该条件下催化剂的活性最好，故A错误； B．催化剂能改变化学反应速率，不能改变反应△H的数值，故B错误； C．合成氨若采用低温可提高平衡转化率，但温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所用时间变长，在实际生产中采用的温度为400~500℃，故C错误； D．由于氨易液化，可以分离出氨，使平衡正移，提高产率，故D正确； 故选D。 2．下列关于合成氨的说法正确的是 A．适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B．升温会导致原料的平衡转化率降低 C．压强越大，合成氨的综合效益越好 D．铁触媒能减小该反应的焓变 【答案】B 【解析】A．当反应达到平衡时，延长反应时间，平衡不移动，平衡产率不变，故A错误； B．合成氨反应为放热反应，升温使平衡逆向移动，会导致原料的平衡转化率降低，故B正确； C．由反应特征可知，压强越大越有利于反应正向进行，但受设备材料、经济效益等因素的影响，不是压强越大综合效益越好，故C错误； D．铁触媒是催化剂，催化剂能降低反应的活化能、但不能改变该反应的焓变，故D错误； 答案选B。 3．合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是 A．合成氨选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，可提高反应的平衡转化率 B．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 C．为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理 D．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于氨气液化分离 【答案】A 【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．合成氨反应为放热反应，选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，反应速率提高，但温度升高，平衡逆移，平衡转化率降低，A项错误； B．正反应为气体体积减小的方向，压缩机加压，反应速率增大，平衡正移，可以提高平衡转化率和反应速率，B项正确； C．原料气中的杂质可以使催化剂失去活性，为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理，C项正确； D．该反应为放热反应，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，D项正确； 答案选A。 ◆知识点三 从合成氨反应的限度和速率分析 1．从合成氨反应限度的角度 在温度一定时，增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量； 在压强一定时，降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。 2．从合成氨反应速率的角度 升高温度、增大压强及使用催化剂等都可以使合成氨的化学反应速率增大。 综上所述，要使合成氨反应又快又多，理论上的生产条件是：高压、适宜温度、催化剂。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动。 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。 即学即练 1．对于工业合成氨反应，采取下列反应条件不是为了提高氨气的平衡产率的是 A．将氨液化移出 B．投料时，稍微过量 C．不选择常温，而选择温度为 D．不选择常压，而选择压强为 【答案】C 【解析】A．将氨液化移出：减少生成物浓度，平衡正向移动，提高氨气平衡产率，A不符合题意； B．稍微过量：增加反应物浓度，平衡正向移动，提高另一反应物()的转化率，间接提高产率，B不符合题意； C．选择400~500℃：虽然高温加快反应速率，但使平衡逆向移动，降低平衡产率；此条件是为速率和催化剂活性妥协，不是为了提高氨气平衡产率，C符合题意； D．选择10~30MPa高压：加压使平衡正向移动，提高氨气平衡产率，D不符合题意； 故选C。 2．合成氨工业在国民生产中有重要意义。工业上合成氨的反应为，下列说法错误的是 A．使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B．该反应的反应物的键能总和大于生成物的键能总和 C．通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度 D．在上述条件下，每消耗，同时生成 【答案】B 【解析】A．催化剂可以加快反应速率，缩短生产时间，提高生产效率，A正确； B．正反应放热，反应物断键吸收的总能量低于生成物成键放出的总能量，该反应的反应物的键能总和小于生成物的键能总和，B错误； C．通过调控反应条件，可以使化学平衡正向移动，提高反应进行的程度，C正确； D．当反应发生时，根据化学计量数可知，每消耗，同时生成2molNH3，D正确； 故选B。 3．工业合成氨的反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H= -92kJ/mol  ΔS= -198.2J/(mol‧K)有关化学反应调控说法错误的是 A．合成氨气，理论上选用低温、高压的条件进行控制，有利于提高合成氨的产率 B．该反应在常温下可以自发进行 C．将生成的NH3进行液化，有助于提高反应速率 D．结合生产实际，可以适当提高原料气体中N2的含量 【答案】C 【解析】A．反应正向气体分子数减小，增大压强，有利于平衡正向移动，合成氨的产率提高，正向放热，降低温度，有利于平衡正向移动，合成氨的产率提高，故A正确； B．该反应的ΔS=-198.2J/(mol·K)，ΔH=-92kJ/mol，常温(T=298K)时ΔH-T·ΔS=-92000J/mol+298K×198.2J/(mol·K)=-32936.4J/mol＜0，故该反应常温时反应可以自发进行，故B正确； C．将生成的NH3进行液化，平衡正向移动，反应物浓度减小，反应速率减小，故C错误； D．适当提高原料气体中N2的含量，有利于平衡正向移动，可以提高氢气转化率，故D正确； 答案选C。 ◆知识点四 合成氨的适宜条件 1. 催化剂的选择：合成氨工业要求催化剂具有活性强、机械强度高、不易中毒、容易制备、价格低廉等特点，目前公认的最适当的催化剂是铁催化剂。 2. 温度的选择：在兼顾反应速率和反应限度两个因素的同时，考虑到铁催化剂的活性温度，一般选择在500℃左右的温度。 3. 压强的选择：高压既能使平衡正向移动，也能加快反应速率，但受动力、材料、设备等条件限制，一般采用的压强是20~50MPa。 4. 反应物和生成物浓度的影响：①将氨液化分离后的原料气循环使用，②及时补充氮气和氢气，③维持氢氮比为2.8~2.9。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 1. 合成氨反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＜0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动。 2. 将原料气循环利用也可提高原料的转化率。 即学即练 1．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应为。在不同温度、压强和相同催化剂条件下，初始时、分别为、，反应达到平衡后混合物中氨的体积分数如图所示。示下列说法正确的是 A．该反应的， B．图中、和由大到小的顺序是 C．高效催化剂会减小反应的 D．图中点时气体总物质的量约为 【答案】D 【解析】A．由图可知，升高温度氨气的体积分数减小，则该反应的，该反应为气体体积减小的反应，则，A项错误； B．其他条件不变时，增大压强，平衡正向移动，氨的体积分数增大，所以，B项错误； C．高效催化剂能降低活化能，加快反应速率，但是不改变反应的焓变，C项错误； D．设平衡时转化了，列三段式：，，，(总)，D项正确； 答案选D。 2．有关合成氨工业的说法中，正确的是 A．增大的浓度，可提高的转化率 B．合成氨工业的反应温度控制在，目的是使化学平衡向正反应方向移动 C．由于氨易液化，在实际生产中会循环使用，所以总体来说氨的产率很高 D．合成氨厂采用的压强是，因为该压强下铁触媒的活性最大 【答案】C 【解析】A．增大氢气的浓度，平衡向正反应方向移动，但氢气的转化率减小，故A错误； B．合成氨反应为放热反应，高温可以保证足够的速率，但不利于提高产率，低温才利于氨的生成，温度需要综合速率、反应物转化率和催化剂活性等因素共同决定，400—500 ℃只是保证催化活性最大，不是使化学平衡向正反应方向移动，故B错误； C．抽出液化氨气，合成氨平衡正向移动，提高原料转化率，且氮气、氢气循环使用有利于提高原料的利用率，从而提高产率，故C正确； D．合成氨的反应是分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高反应速率，跟催化剂的活性无关，故D错误； 故选C。 3．下列关于合成氨工业说法不正确的是 A．根据勒夏特列原理，500℃左右比室温更有利于合成氨的反应 B．合成氨厂一般采用10MPa~30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素 C．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应 D．将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒” 【答案】A 【解析】A．合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的浓度减小，所以室温比500℃左右更有利于合成氨的反应，故A错误； B．合成氨厂一般采用10MPa～30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素，因为压强大，反应速率快，有利于合成氨，但是压强太高，对仪器设备要求也高，压强过低，反应速率慢，不利于合成氨，故B正确； C．将混合气体中的氨液化，减小了生成物的浓度，合成氨反应的化学平衡正向移动，有利于合成氨，故C正确； D．将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质，比如氧气，能和催化剂铁在高温下反应，使催化剂“中毒”，故D正确； 故选A。 一、合成氨反应的特点 可逆反应 合成氨反应 正反应气体体积减小 焓变ΔH<0，熵变ΔS<0 常温下，ΔH-TΔS<0，常温能自发反应 实践应用 1．工业上用N2和H2合成NH3，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．消耗0.1mol H2时，生成N-H键数目为0.2NA B．合成氨反应温度一般选择400～500℃，因为该反应为吸热反应 C．0.4mol N2所含电子的数目为4NA D．氧化22.4L NH3生成NO，消耗O2分子数为2NA 【答案】A 【解析】A．合成氨反应中，每消耗3mol 氢气生成2mol氨气，2mol氨气含6mol N-H键，所以消耗0.1mol氢气可生成0.2NAN-H键，A正确； B．合成氨为放热反应，B错误； C．每个N2分子中含14个电子，故0.4mol N2 含电子数为5.6NA，C错误； D．没有给出温度和压强，22.4L气体物质的量不确定，D错误； 答案选A。 2．已知下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A．此反应自发进行的温度应低于 B．步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C．步骤④中反应温度越高，催化剂活性越大，反应速率越快 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】A 【分析】氮气和氢气的混合气体经过干燥、净化后进入压缩机加压至10MPa~30MPa，再进入热交换机，在铁触媒、400-500℃条件下反应生成氨气，生成的NH3和未反应的氮气和氢气都进入热交换机，液化分离得到液态NH3，氮气和氢气进入热交换机重复利用，据此解答。 【解析】A．根据ΔH-TΔS<0反应可自发进行，即-92.2×103+T×198.2<0，则T<465.1K，所以此反应自发进行的温度应低于465.1K，A正确； B．该反应为气体体积减小的反应，加压使其平衡正向移动，能提高原料的转化率，也可以加快反应速率，B错误； C．并不是温度越高，催化剂活性越大，铁触媒在500℃左右时活性最大，若温度过高，催化剂可能失活，反应速率减小，C错误； D．步骤④中催化剂不影响化学平衡移动，且该反应为放热反应，理论上降低温度，才能使其平衡正向移动，而采用高温主要是加快反应的速率，则步骤④中的两个条件对提高原料的平衡转化率没有帮助；步骤⑤将NH3液化分离，使生成物NH3(g)浓度减小，平衡正向移动，有利于提高原料的平衡转化率，D错误； 故选A。 3．下图是工业合成氨反应中铁触媒作为催化剂的催化历程，下列说法正确的是 已知：① ； ②  ； ③  。 A． B．反应①逆反应的活化能为 C．键能关系： D．相同条件下，反应的③速率最慢 【答案】B 【解析】A．由图可知，ΔH2=E1－E2，A错误； B．由图可知，反应①为总反应，其逆反应的活化能为E′，B正确； C．由图可知，反应①ΔH1<0，ΔH1=反应物总键能－生成物总键能，所以键能关系 ，C错误； D．由图可知，反应③的活化能最小，所以相同条件下反应③的速率最快，D错误； 故选B。 2、 提高合成氨反应的限度和速率的措施 从反应限度考虑，合成氨反应需：低温、高压。 从反应速率考虑，合成氨反应需：高温、高压、催化剂。 实践应用 1. 对于工业合成氨的反应，下列措施有利于加快反应速率的是 A．降低温度 B．减小的浓度 C．及时抽走部分氢气 D．加入适宜的催化剂 【答案】D 【解析】A．降低温度，反应速率减慢，A不符合题意； B．减小的浓度，平衡逆向移动，但是由于反应物浓度减小，反应速率减慢，B不符合题意； C．及时抽走部分氢气，平衡逆向移动，但是反应物浓度减小，反应速率减慢，C不符合题意； D．加入适宜的催化剂，平衡不移动，可以加快反应速率，D符合题意； 答案选D。 2. 对于合成氨反应，既可以提高平衡体系中 NH3 的百分含量，又能加快反应速率的措施是 A．升高温度 B．将平衡体系中的氨气分离出来 C．增大体系压强 D．加入合适的催化剂 【答案】C 【解析】A．合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氨气含量减小，A不符合题意； B．将平衡体系中的氨气分离出来，物质浓度减小，反应速率减小，B不符合题意； C．反应为气体分子数减小的反应，增大体系压强，反应速率加快且平衡正向移动，提高氨气的百分含量，C符合题意； D．加入合适的催化剂，能加快反应速率，但平衡不移动，不能提高氨气的百分含量，D不符合题意； 故选C。 3. 哈伯在1908年申请循环法合成氨的专利，合成氨实验所用装置如下。下列说法不正确的是 A．进口a通入的是经过压缩的N2和H2 B．出口b的气体可以直接通入饿催化剂反应器 C．出口c是液态NH3出口，可用于冷却离开催化剂的气体 D．冷却水从A口进，B口出，用来给合成氨反应降温防止温度过热 【答案】B 【分析】合成氨，由于合成氨的反应是一个可逆反应，达到平衡后，反应物并不能完全转化为产物氨气，这意味着有很大一部分原料气未被充分利用，故进口a通入压缩N2和H2，有助于提高反应速率、提高N2和H2的利用率；在合成氨的工艺中，氢气和氮气都需要进行干燥处理，以防止过多水分的进入影响化学反应的进行；经过反应器反应，按下进上出的方式通入冷凝水，混合气体进入冷却室，将NH3液化，c处为液态氨气，b出来的N2和H2的混气进行循环合成， 据此分析； 【解析】A．压缩的N2和H2有利于正向进行，提高反应速率、提高N2和H2的利用率和平衡混合物中氨气的含量，A正确； B．应净化，防催化剂中毒，B错误； C．NH3易液化，将NH3分离有利平衡正向移动，C正确； D．冷却水下口进水，从A口进水，上口出水，B口出水，来给合成氨反应降温防止温度过热，D正确； 故选B。 3、 合成氨适宜的生产条件 化工生产条件的选择需要注意的问题： （1）选取适宜的化工生产条件时，既要考虑反应速率问题，又要考虑化学平衡移动的问题，同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。 （2）温度的选择，不仅要考虑速率、平衡问题，同时还要照顾到催化剂的活性。 （3）压强的选择，除了考虑速率和平衡问题，还要考虑对设备的技术要求和成本问题。 实践应用 1. 合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为：  。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是 A．增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则速率增大 B．实际生产温度主要由催化剂决定 C．在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越快 D．液化分离有利于合成氨 【答案】C 【解析】A．增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，从而使反应速率增大，A正确； B．实际生产温度主要由催化剂的最佳活性温度决定，B正确； C．在实际生产中温度过高，催化剂失活，化学反应速率会减慢，因此不是温度越高反应速率越快，C错误； D．液化分离，减小生成物浓度，化学平衡正向移动，有利于合成氨，D正确； 故选C。 2．工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。铁触媒作用下，和合成的反应为   ，其反应机理可简单表示如图(*表示吸附态，中间部分表面反应过程未标出)： 已知：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。下列说法正确的是 A．合成氨反应在任何温度下都可以自发进行 B．液化分离出产物，可能有利于提高合成氨反应速率 C．适当增加，可以加快合成氨的反应速率并提高的转化率 D．加压、降温和使用铁触媒做催化剂都可以提高氨的平衡产率 【答案】B 【解析】A．，，依据反应可自发进行，则合成氨反应在低温下自发进行，A错误； B．根据图中所示原理，液化分离出产物，空出催化剂活性位点，有利于氮气和氢气在催化剂表面吸附分解，有利于提高合成氨反应速率，故B正确； C．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，适当提高氮气的比例，可以明显加快合成氨的反应速率并提高的转化率，故C错误； D．催化剂只能加快反应速率，不能提高氨的平衡产率，故D错误； 故选B。 3．科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了合成氨的反应历程，如图所示。其中吸附在催化剂表面的物质用*表示，TS表示过渡态。下列说法正确的是 A．图示历程包含了9个基元反应 B．原料气，平衡时，氨气的体积分数为20％，则氮气的转化率约为33.3％ C．实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400～500℃，是为了提高氨气产率 D．反应的，说明H—H键断裂放出热量 【答案】B 【解析】A．根据反应历程图可知，该历程经历了的7 个基元反应，A错误； B．原料气，平衡时，氨气的体积分数为20%，设，则，消耗的，列三段式：，因， 解得mol，则氮气的转化率约为，B正确； C．合成氨反应为放热反应，高温平衡向左移动，氨气的产率降低，但实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400~500℃，是为了使催化剂的活性最大，提高反应速率，提高单位时间内氨气的产量，C错误； D．化学键的断裂需要吸收热量，D错误； 故答案选B。 考点一 合成氨的反应原理 【例1】中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A．合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B．使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 【答案】C 【解析】A．合成塔中充入的氮气越多相当于增大氮气浓度，平衡向正反应方向移动，但氮气的转化率减小，故A错误； B．使用催化剂，化学反应速率加快，但平衡不移动，氨气的平衡产率不变，故B错误； C．及时分离出液氨，生成物氨气的浓度减小，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率增大，原料的利用率增大，故C正确； D．为提高合成氨的综合效益，实际生产中，常采用适宜高温、适宜高压的条件提高氨产率，故D错误； 选C。 解题要点 制取原料气主要含有N2、H2，以及CO等杂质气体，净化时，除去杂质气体，防止催化剂中毒，将N2、H2经压缩机压缩成高压气体，在合成塔中发生反应：，及时分离出液氨，促进平衡正向移动 【变式1-1】合成氨反应： 下列说法不正确的是 A．该反应，升高温度，反应速率增大 B．对原料气需进行净化处理，防止催化剂中毒 C．生产中采用循环操作主要是为了增大化学反应速率 D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比有利于提高的平衡转化率 【答案】C 【解析】A．该反应是气体分子数减小的反应，则ΔS<0，升高温度，反应速率增大，故A正确； B．各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，故B正确； C．合成氨工业中采用循环操作，把、循环使用，可以促进反应正向进行，提高原料的利用率，节约生产成本，故C错误； D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比可以推动反应向生成氨的方向进行，从而提高氢气的平衡转化率，故D正确； 故选C。 【变式1-2】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．增大的浓度，可提高的平衡转化率 B．由于氨易液化，、在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率比较高 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是10Mpa～30MPa，因为该压强下催化剂铁触媒的活性最大 【答案】B 【解析】A．增大的浓度，平衡正向移动，可提高H2的平衡转化率，的平衡转化率降低，故A错误； B．由于氨易液化，分离出的、在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率比较高，故B正确； C．合成氨反应为放热反应，升高温度，合成氨反应逆向移动，合成氨工业的反应温度控制在400～500℃，是因为此温度催化剂活性较高，反应速率快，故C错误；   D．合成氨的反应是气体分子数减小的反应，高压有利于向正反应方向移动，且能提高反应速率，跟催化剂的活性无关，故D错误； 选B。 考点二 合成氨的图形题 【例2】一定条件下，将和按物质的量之比为3：1充入密闭容器中发生反应：。测得不同压强下，达到化学平衡时氨的物质的量分数()随温度变化如下图： 下列说法错误的是 A．压强： B．速率：b<a C．a点时，的转化率约为33% D．虚线表示条件下充入He后的图像 【答案】D 【解析】A．合成氨反应为气体分子数减小的反应，其它条件相同时，增大压强，平衡右移，平衡时氨的物质的量分数增大，可知压强：，A正确； B．a点温度高，压强大，反应速率快，速率：b＜a，B正确； C．a点时，氨的物质的量分数为0.20，列三段式，，x≈0.33，的转化率约为33%，C正确； D．恒容条件下充入非反应气体，压强增大，但反应物浓度不变，平衡不移动，平衡时氨的物质的量分数不变， D错误； 故选D。 解题要点 1. 合成氨反应为气体分子数减小的反应，其它条件相同时，增大压强，平衡右移，平衡时氨的物质的量分数增大. 2. 恒容条件下充入非反应气体，压强增大，但反应物浓度不变，平衡不移动，平衡时氨的物质的量分数不变 【变式2-1】工业合成氨发生的反应为N2(g)+3H2 (g)⇌2NH3 (g)  ΔH < 0。其中丙图是恒温恒容条件下，t1时刻加入H2的变化图，且每个图像的自变量只有一个。下列图像不符合实际的是 A． B．C． D． 【答案】B 【解析】A．图像表示在不同温度下的变化，且反应为放热反应，下最先平衡，并且温度越低平衡生成的氨气越多，图中曲线对应较低温度，氨气的平衡量较大，A正确； B．图像表示随压强增大，正、逆反应速率随之变化。由于提高压强有利于体积变小的正反应，压强以后，小于说明反应逆向进行，此图不能反映“增压促进正反应”的事实，B错误； C．于时刻加入氢气后，正、逆反应速率随时间重新达到新平衡。此时会突增而大于，随后二者逐渐趋于相等，新平衡建立，曲线趋势正确，C正确； D．图像给出的“氮气的平衡转化率随增加而单调下降”，在其他条件并未变化，随着氮气的物质的量增加，其平衡转化率会随增加而必然单调减小，D正确； 故选B。 【变式2-2】与在固体催化剂表面合成的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表该分子或原子，已知。下列说法正确的是 分别代表、和 A．该反应在高温下可自发进行 B．实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率 C．实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率 D．和断键生成和吸收的能量为 【答案】C 【解析】A．该反应是熵减的放热反应，低温条件下反应ΔH—TΔS＜0，能自发进行，故A错误； B．该反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，生成物的产率降低，则实际生产采用高温是为了加快反应速率，故B错误； C．反应未达平衡时，催化剂能加快反应速率，有利于提高反应物的转化率，故C正确； D．由图可知，包含断键吸收的能量和吸附氢气和氮气的能量变化，所以1mol氮气和3mol氢气断键生成2mol氮原子和6mol氢原子吸收的能量小于，故D错误； 故选C。 考点三 反应条件的控制 【例3】合成氨生产的适宜条件 （1）合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从 和 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 ，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 ，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 左右 2 物质的量 N2、H2投料比 3 压强 1×107～1×108 Pa 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 合成氨的生产流程的三阶段： 【答案】（1）反应速率 反应限度 转化率 产量 （2）400~500℃ 1：2.8 【解析】（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。尽量增大反应物的转化率，充分利用原料；选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量； （2）合成氨的反应为放热反应，故低温有利于提高原料利用率和氨的产率，但温度低，反应速率慢，催化剂的活性差，400~500℃催化剂的活性最大，反应速率比较快，氨的含量也相对较高；提高反应物浓度，降低生成物浓度，可使平衡正向移动，提高原料利用率和氨的产率，同时适当提高氮气的浓度，可提高氢气的转化率，故N2和H2按物质的量之比1：2.8混合（1：3时平衡混合物中氨含量最高，考虑到催化剂实际效果适当提高氮气的比例，更能加快速率），适时分离出NH3。 解题要点 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，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。 【变式3-1】合成氨是化学工业的重要基础，传统合成氨和新型合成氨的反应原理分别如下： Ⅰ．传统合成氨原理： 以氮气和氢气为原料反应，  。 （1）从化学反应限度的角度分析，合成氨的反应宜选择___________(填字母序号)。 A．低温高压 B．高温低压 C．高温高压 D．低温低压 （2）工业合成氨使用铁基催化剂时，通常选择在500℃和30MPa条件下进行反应，其原因是 。 （3）合成氨的净速率方程可表示为：，(“”、“”为正、逆反应速率常数，随温度升高而增大)。 ①该反应的平衡常数 (用含“”、“”的式子表示)； ②根据合成氨的净速率方程分析，反应速率并不是随温度的升高而单调地增大，如图所示。结合上述速率方程分析其原因为 。 Ⅱ．新型合成氨原理： 以甲烷和氮气作为原料气，按一定流速充入反应釜中，在作催化剂并持续放电的条件下，发生的主要反应如下：，还可能发生甲烷碳化等副反应。 （4）当原料气流以通过催化剂发生反应时，在反应釜出口处检测到，则氨气的产率为 。 （5）研究发现，其它条件相同时，原料气中后，氨气的产率明显下降，可能原因为 。 （6）在其它条件相同的情况下，下列因素或措施会影响反应釜中氨气产率的是___________(填字母序号)。 A．催化剂的选择性 B．原料气流的流速 C．分离出口气流中的氨气 D．催化剂的表面积 【答案】（1）A （2）500℃时催化剂活性高；30MPa压强下综合经济效益高 （3） 低温时，升温对影响大于影响，高温时，升温对影响大于影响，使反应速率随温度升高先增大后减小 （4）40% （5）过量甲烷发生碳化，催化剂表面被积碳覆盖，反应速率下降 （6）ABD 【解析】（1）合成氨的反应是气体分子数减小的放热反应，从化学反应限度的角度分析，增加压强、降低温度有利于反应正向移动，故反应宜选择低温高压的条件，选A； （2）合成氨属于放热反应，降温有利于平衡正移，而工业采用在500℃的条件下进行反应，考虑的是催化剂活性，合成氨是气体体积减小的反应，增大压强化学平衡正移，但压强过大，对设备的要求也高，故工业采用30 MPa下进行反应，主要考虑的是经济效益。 （3）①达到平衡时，正逆反应速率相等，合成氨的净速率为0，即 ， ，， 又，则； ②根据合成氨的净速率方程分析，由速率方程可知，增大反应速率增大，增大反应速率减小，随着温度的升高，均增大，按照一定氮氢比投料，当控制氮气转化率不变时，反应速率并不是随温度的升高而单调地增大，其原因为：低温时，升温对影响大于影响，高温时，升温对影响大于影响，使反应速率随温度升高先增大后减小。 （4）原料气中时，设甲烷的物质的量为3mol，氮气的物质的量为1mol，氮气反应了xmol， ；解得。根据甲烷的量计算，理论上氨气的最大产量为1mol，氨气的产率为。 （5）题干中提示可能发生甲烷碳化等副反应，当原料气中甲烷的比例升高时，甲烷发生碳化，催化剂表面被积碳覆盖，反应速率下降。 （6）A．催化剂的表面积和选择性都会影响反应速率，从而影响氨气的产率，A选； B．气体流速的快慢，影响原料气在反应釜中的浓度和反应时间，从而影响氨气产率，B选； C．反应釜出口气流中再分离氨气，不影响反应釜中氨气的产率，C不选； D．结合A选项可知，催化剂的表面积影响氨气的产率，D选； 故选ABD。 【变式3-2】合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题。合成氨反应原理为：   ，。 1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。一定条件下，氨的平衡含量如下表： 温度/℃ 压强/MPa 氨的平衡含量 200 10 81.5％ 550 10 8.25％ （1）．合成氨反应在常温(298K)下 (选填A表示“能”或B表示“不能”)自发。 （2）．哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，主要原因是 。 合成氨的逆反应速率随时间的变化如下图： （3）．由图可知，反应进行到a点时 。 A．v(正)>v(逆)            B．v(正)=v(逆)            C．v(正)<v(逆) （4）．时改变了某种反应条件，该条件可能是___________。 A．升温 B．增大氮气的浓度 C．使用催化剂 D．增大压强 针对以氮气作为氮源的合成氨反应速率与平衡产率的矛盾，科学家提出了两种解决方案。 方案一：电催化一氧化氮合成氨。下图是以、、为催化剂，用一氧化氮(NO)为氮源的电化学合成氨的中间体及其能量的机理图(*代表物质处于被催化剂吸附的状态) （5）．下列说法正确的是___________(不定项)。 A．使用O-distal路径和N-distal路径，合成氨反应的焓变是不同的 B．如果基元反应的产物相比反应物的能量增大得越多，则该基元反应速率越慢，那么催化效果最差 C．该方法能够同时实现大气污染物NO的去除和利用，被认为是一种可持续、清洁和环保的新能源技术 D．反应的温度越高越好，工业生产可以选用超高温 方案二：“球磨法”——一种基于机械化学在温和条件下由氮气合成氨的新方案。“球磨法”在温和的条件下(45℃和1bar，)合成氨，氨的最终体积分数可高达82.5％。该法分为两个步骤(如下图)： 第一步，铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上，有助于氮分子的解离。 第二步，N*发生加氢反应得到，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到产物氨。 （6）．“球磨法”与“哈伯法”相比较，下列说法中正确的是___________(不定项)。 A．催化剂(Fe)缺陷密度越高，的吸附率越高 B．“哈伯法”采用高温主要用于解离氮氮三键，而“球磨法”不用解离氮氮三键 C．“球磨法”中“剧烈碰撞”仅仅为了产生“活化缺陷” D．“球磨法”不采用高压，是因为低压产率已经较高，加压会增大成本 （7）．机械碰撞有助于催化剂缺陷的形成，而摩擦生热会使体系温度升高。图甲是吸附量、体系温度随球磨转速变化曲线，则应选择的最佳转速约 转/min；若选择500转/min的转速，的吸附量降低的原因是 。 【答案】（1）．A （2）．在550℃、10MPa条件下，催化剂活性最好，可以提高合成氨的反应速率 （3）．A （4）．D （5）．BC （6）．AD （7）． 400 转速过快，体系升温过快，温度过高不利于氮气的吸附 【解析】（1）．合成氨反应的吉布斯自由能计算：，当ΔG＜0时反应能自发进行，故合成氨的反应在常温（298K）下能自发进行； （2）．虽然从氨的平衡含量看，200℃有利于提高氨的平衡含量，但200℃时，催化剂可能达不到最佳活性状态，反应速率可能会很慢，550℃时催化剂的活性较好，可以提高反应速率，能提高生产效率，更有利于大规模工业生产。因此哈伯选用550℃、10MPa的主要原因是：在550℃、10MPa条件下，催化剂活性最好，可以提高合成氨的反应速率； （3）．根据图中曲线可知，反应进行到t1时达到平衡状态，从a点到平衡状态，逆反应速率不断增大，说明生成物浓度不断增大，处于向正反应方向进行的状态，因此v（正）＞v（逆）； （4）．改变条件后反应仍然向正向移动，A．合成氨的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，故A错误；B．增大N2的浓度，只增大正反应速率，故B错误；C．使用催化剂，不改变平衡状态，故C错误；D．合成氨的反应，反应后气体体积减小，加压，正、逆反应速率均增大，平衡向正反应方向移动； （5）．A．焓变与路径无关，只与始末态有关，路径不同焓变相同，故A错误； B．基元反应中，产物能量比反应物大得越多，活化能越高，反应速率越慢，从图中看Ti—C2N催化时，基元反应的活化能相对较高，所以催化效果最差，故B正确；C．该方法NO为氮源合成氨，既去除NO污染又利用其制氨，是可持续环保技术，故C正确；D．温度过高催化剂活性可能下降，且合成氨正反应放热，高温不利平衡，并非温度越高越好，故D错误； （6）．A．催化剂（Fe）缺陷密度越高，表面积越大，越有利于N2分子被吸附，吸附率越高，故A正确；B．由图知“球磨法”氮分子被催化剂吸附形成，断裂了氮氮三键，故B错误；C．“球磨法”中“剧烈碰撞”产生“活化缺陷”的同时，放出大量热量有利于氮氮三键的解离，故C错误；D．在低压时氨的最终体积分数可高达82.5%，产率较高且成本较低，加压会增加成本，故D正确； （7）．低于400转/min，氮的吸附量不大，高于400转/min，温度迅速升高，不利于N2吸附，所以选择400转/min；转速过快，体系升温过快，温度过高不利于氮气的吸附。 基础达标 1．下列事实不能用勒夏特列原理解释的是 A．实验室新制氯水经光照后颜色变浅 B．夏天打开冰镇可乐瓶盖时产生大量泡沫 C．反应2HI(g)⇌H2(g)+I2(g)达到平衡后，缩小容器体积加压，气体颜色加深 D．合成氨工业中采用高压有利于提高原料的平衡转化率 【答案】C 【解析】A．新制的氯水在光照条件下颜色变浅，由于次氯酸光照分解生成盐酸和氧气，次氯酸的浓度减小，氯气与水反应平衡正向移动，颜色变浅，能用勒夏特列原理，A不符合题意； B．可乐瓶中存在可逆过程CO2(g)+H2O⇌H2CO3(aq)，打开可乐瓶盖后，减小压强，该平衡逆向移动，观察到有大量泡沫逸出，能用勒夏特列原理解释，B不符合题意； C．反应2HI(g)⇌H2(g)+I2(g)达到平衡后，缩小容器体积加压后颜色变深，浓度增大，但平衡没有移动，不能用勒夏特列原理，C符合题意； D．工业上合成氨存在平衡，是气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，可以提高氨气的产量，能用勒夏特列原理解释，D不符合题意； 答案为C。 2．化学的发展与社会的生产生活息息相关，下列说法中错误的是 A．氨的合成实现工业化过程中，综合考虑了原料、催化剂、设备等多方面因素 B．火箭发射时用肼作燃料，二氧化氮作还原剂，二者反应生成了氮气和水蒸气 C．脂肪作为人体重要的储能物质，还具有促进脂溶性维生素的吸收和维持体温恒定等作用 D．飞秒化学的研究对了解化学反应机理、控制反应进程、充分利用物质和能源有重要意义 【答案】B 【解析】A．工业生产需综合考虑原料、速率、转化率，设备等多方面因素，实现效益的最大化，A不符合题意； B．火箭发射时用肼作燃料，二氧化氮作氧化剂，B符合题意； C．脂肪是人体重要的储能物质且能促进脂溶性维生素的吸收和维持体温恒定等作用，C不符合题意； D．飞秒化学是采用10-15~10-12s的时间分辨技术跟踪检测化学反应中的中间体或过渡态的化学研究领域，飞秒化学的研究对了解化学反应机理、控制反应进程、充分利用物质和能源有重要意义，D不符合题意； 故选B。 3．氨既是一种重要的化工产品，又是一种重要的化工原料。下图为合成氨以及氨催化制硝酸的流程示意图。下列说法不正确的是 A．合成塔中采用高温、高压、催化剂等条件均可加快反应速率 B．吸收塔中通入A是为了提高原料的利用率 C．合成氨以及氨催化制硝酸的流程中氮元素均被氧化 D．尾气中含有能形成酸雨的成分 【答案】C 【分析】合成塔中发生，通过氨分离器得到的氨气在氧化炉中发生，故A为氧气，吸收塔中发生，氧气的通入可以使转化为，再发生与水的反应，循环反应，提高转化率。 【解析】A．合成塔中发生反应，高温、高压、催化剂等条件均可加快反应速率，A项正确； B．A为氧气，吸收塔中发生，氧气的通入可以使转化为，再发生与水的反应，循环反应，从而提高转化率，B项正确； C．合成氨反应中氮元素化合价降低，被还原，氨催化氧化制一氧化氮的反应中氮元素化合价升高，被氧化，C项错误； D．尾气中含有、等，能形成硝酸酸雨，D项正确； 答案选C。 4．氨是一种重要的化工产品和化工原料，下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。 下列说法错误的是 A．R比较容易与反应 B．氧化炉中发生的反应为： C．向吸收塔中通入R气体，有利于提高硝酸的产率 D．工业生产中为了盛装大量浓硝酸，可选择铁作为罐体材料 【答案】B 【分析】合成塔中与反应生成氨气，氧化炉中氨气与单质R即氧气反应生成NO，NO与氧气、水在吸收塔中反应生成硝酸。 【解析】A．由流程可知，R为，根据元素周期律，比更易与反应，A项正确； B．由氨的催化氧化可知，氧化炉中发生反应：，B项错误； C．吸收塔中发生反应：，通入的与NO反应生成，继续与反应生成，有利于生成，C项正确； D．常温下，Fe遇浓生成发生钝化，生成致密的氧化物保护膜阻碍继续与金属Fe反应，D项正确； 答案选B。 5．下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．达到平衡后，升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高、的转化率 C．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 D．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 【答案】B 【解析】A．工业合成氨为放热反应，升温平衡逆向移动，说明对逆反应的反应速率影响更大，A错误； B．减少生成物的浓度平衡正向移动，所以将NH3液化分离，可提高N2、H2的转化率，B正确； C．增加一种反应物的浓度提高另一种物质的转化率，而本身转化率降低，所以合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可增加氮气的浓度，C错误； D．催化剂和高压能加快反应速率，增大压强平衡正移，催化剂对平衡无响应，D错误； 故选B。 6．如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 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，又可以加快反应速率 C．为了提高原料的转化率，应及时将氨从混合气中分离出去 D．步骤③合成氨温度为500℃是因为该温度催化剂活性高且有利于提高原料平衡的转化率 【答案】D 【分析】N2和H2净化干燥除去杂质后，加压既能提高反应速率，又能促进平衡正向移动，合成氨的反应为放热反应，低温有利于平衡正向移动，但是低温下，催化剂活性低，反应速率也低，因此综合考虑将温度设定在500℃并使用含铁催化剂进行催化反应，及时将产生的NH3液化分离出来以提高N2和H2的转化率，剩余的N2和H2再循环利用，据此分析判断。 【解析】A．步骤①中“净化”是除去杂质，以防止铁催化剂中毒，故A正确； B．合成氨的反应为气体分子数减小的反应，加压有利于平衡正向移动，提高原料转化率，加压也可以提高反应速率，故B正确； C．在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，可使平衡正向移动，能保持足够高的原料转化率，故C正确； D．由图可知工业生产中，催化合成氨的反应温度为500℃，说明500℃是催化剂催化活性的最佳温度，但催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡转化率，故D错误； 故选D。 7．合成氨工业采用下列措施是为了使平衡正向移动而提高反应物转化率的是 A．采用高温 B．采用高压 C．使用催化剂 D．以上均不对 【答案】B 【解析】A．合成氨的正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，不利于提高反应物转化率，A错误； B．增大压强，平衡向正反应方向移动，利于提高反应物转化率，B正确； C．催化剂的使用有利于加快反应速率，但平衡不移动，C错误； D．为提高原料的转化率，使平衡正向移动，可以采用高压，D错误； 故选B。 8．对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，下列说法中错误的是 A．该反应在低温条件下能自发进行 B．工业合成氨在高温高压的条件下NH3的产率最高 C．工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性 D．增大压强，活化分子百分数不变，反应速率加快 【答案】B 【解析】A．由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，焓变小于0，ΔS<0，低温下自发，A项正确； B．合成氨反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NH3产率减小，B项错误； C． 工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性，500℃左右催化剂活性最强，C项正确； D．增大压强，体积减小，等于增大浓度，单位体积内活化分子数增多，但活化分子百分数不变，有效碰撞次数增多，反应速率加快，D项正确； 答案选B。 9．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。其合成原理为：    。 （1）下列关于工业合成氨的说法正确的是___________。 A．因为ΔH<0，所以该反应一定能自发进行 B．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温时可自发进行 C．合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是此温度下氨的产率最高 D．生产中在考虑动力和设备材料承受能力的前提下，压强越大转化率越大 （2）在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是___________ A．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2 B．2v正(H2)=3v逆(NH3) C．容器内压强保持不变 D．混合气体的密度保持不变 （3）工业上合成氨的部分工艺流程如图：    请用平衡移动原理来解释在流程中及时分离出氨气和循环使用气体的原因 。 （4）某科研小组研究：在其他条件不变的情况下，改变起始物氢气的物质的量对工业合成氨反应的影响。实验结果如图所示(图中T表示温度)。则： 图象中T2和T1的关系是：T1 T2(填“>、<或=”)；a、b、c、d四点所处的平衡状态中，反应物N2的转化率最高的是 (填字母)。 【答案】（1）B （2）BC （3）减少生成物浓度，同时增加反应物浓度，可以使平衡正向进行程度更大，提高产率 （4）> c 【解析】（1）A. 该反应是否自发进行，主要有自由能ΔG=ΔH−TΔS来决定，故A错误；B. 工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，根据ΔG=ΔH−TΔS ，解得T＜462K，即小于189℃条件下可自发进行，则在常温时可自发进行，故B正确；C. 合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是此温度下催化剂的催化活性大，反应速率快，经济效率高，不是产率最高，故C错误；D. 该反应是体积减小的反应，压强越大转化率越大，生产中在考虑动力和设备材料承受能力的前提下，还需要考虑经济成本，应选择压强尽可能的大，故D错误；综上所述，答案为B。 （2）A. 容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2，不一定达到平衡，只能说浓度不再改变，则达到平衡，故A不符合题意；B. 2v正(H2)=3v逆(NH3)，一个正向反应，一个逆向反应，两者速率之比等于计量系数之比，故B符合题意；C. 该反应是体积减小的反应，压强不断减小，当容器内压强保持不变，则达到平衡，故C符合题意；D.密度等于质量除以容器体积，气体质量不变，容器体积不变，密度始终不变，因此当混合气体的密度保持不变，不能作为判断平衡的标志，故D不符合题意；综上所述，答案为：BC。 （3）流程中及时分离出氨气和循环使用气体的原因减少生成物浓度，有利于平衡正向移动，循环使用气体，可以增加反应物浓度，可以使平衡正向进行程度更大，还能提高产率，降低成本；故答案为：减少生成物浓度，同时增加反应物浓度，可以使平衡正向进行程度更大，提高产率。 （4）以最高点分析，从下到上，氢气物质的量相同，氨气的体积分数增大，说明平衡正向移动，则是降低温度，因此图象中T2和T1的关系是：T1>T2；a、b、c、d四点所处的平衡状态中，氢气物质的量不断增加，平衡不断增大，温度越低，平衡正向移动，因此反应物N2的转化率最高的是c；故答案为：>；c。 10．合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。 （1）反应的化学平衡常数表达式为 。 （2）请结合下列数据分析，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是 。 序号 化学反应 的数值 ① ② （3）如图是合成氨反应平衡混合气中的体积分数随温度或压强变化的曲线，图中、X分别代表温度或压强。其中X代表的是 (填“温度”或“压强”)； (填“>”“<”或“=”)原因是 。 【答案】（1） （2）N₂与H2反应的平衡常数远大于N₂与O₂反应的平衡常数，平衡常数越大，N₂的转化率越高，固氮效果越好。 （3）压强 ＜ 反应为放热反应，压强相同时，升高温度，平衡逆向移动，NH3的体积分数降低，所以L1＜L2。 【解析】（1）根据化学平衡常数的定义可知，故答案为：； （2）平衡常数越大,说明反应物转化率越高，N₂与H2反应的平衡常数远大于N₂与O₂反应的平衡常数，所以与H2反应时，N₂的转化率更高，故答案为：N₂与H2反应的平衡常数远大于N₂与O₂反应的平衡常数，平衡常数越大，N₂的转化率越高，固氮效果越好。 （3）工业合成氨反应为气体分子数减少的反应，温度相同时，加压平衡正向移动，NH3的体积分数增大；该反应为放热反应，压强相同时，升高温度，平衡逆向移动，NH3的体积分数降低，故X代表压强，L线代表温度，且 L2>L1，故答案为：压强；＜；反应为放热反应，压强相同时，升高温度，平衡逆向移动，NH3的体积分数降低，所以L1＜L2。 综合应用 11．化学是一门研究物质、创造物质的学科，下列说法错误的是 A．碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器 B．综合考虑速率和产率因素，工业上合成氨通常选择400℃~500℃，10MPa~30MPa C．石油在加热和催化剂作用下，可以通过裂化，使链状烃转化为环状烃，获得苯、甲苯等 D．超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域 【答案】C 【解析】A．碳纳米管具有高比表面积、高强度及优良电学性能，确实用于复合材料、电池和传感器，A正确； B．已知合成氨反应是一个气体体积减小的放热反应，故工业合成氨选择400℃~500℃和10MPa~30MPa，是综合考虑速率和产率因素得出的合理条件，B正确； C．石油裂化的目的是将长链烃断裂为短链烃，而生成环状烃（如苯、甲苯）的过程属于催化重整，C错误； D．超导陶瓷在临界温度下电阻为零，具有超导性并应用于多个领域，D正确； 故答案为：C。 12．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 【解析】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。 13．硝酸是重要的化工原料。下图为制硝酸的流程示意图。 下列说法正确的是 A．流程中，、和NO作反应物时，均作还原剂 B．合成塔中高温、高压的反应条件均是为了提高的平衡产率 C．吸收塔中通入空气的目的是提高NO的转化率 D．可选用铜作为盛装液氨和浓硝酸的罐体材料 【答案】C 【分析】氮气和氢气在合成塔中发生反应生成，在氧化炉中发生反应生成NO，NO与空气在吸收塔中发生2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO反应制得硝酸，据此回答。 【解析】A．在合成氨反应中，N2中氮元素化合价从0价降低到-3价，N2作氧化剂；在氧化炉中发生反应 ，中氮元素化合价升高，作还原剂；NO在吸收塔中发生反应2NO+O2=2NO2，NO中氮元素化合价升高，NO作还原剂，A错误； B．合成氨的正反应是放热反应，高温会使平衡逆向移动，降低的平衡产率；高压使平衡正向移动，能提高的平衡产率，B错误； C．吸收塔中发生反应2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，通入空气，提供O2，使NO能充分反应，提高NO的转化率，C正确； D．浓硝酸具有强氧化性，能与铜反应，不能用铜作为盛装浓硝酸的罐体材料，D错误； 故选C。 14．下列图像与对应的叙述正确的是 A．图甲正确且能说明反应在时达到平衡 B．反应：，依据图乙可判断正反应为放热反应 C．稀释等体积、等pH的两种酸溶液pH的变化，则结合的能力： D．，图丁可判断三个点的平衡转化率： 【答案】B 【解析】A．反应中CO和CO2化学计量数相同，则在相同时间内CO和CO2物质的量变化量相同，甲图不正确，A错误； B．依据图乙可知温度升高，平衡向逆反应方向移动，则正反应方向为放热反应，B正确； C．由图丙可知加等量水时，HA的pH变化更大，可知HA的酸性强于HB，则结合的能力：，C错误； D．反应，由图丁可知增大H2的量，平衡正向移动，的平衡转化率减小，转化率为，D错误； 故答案选B.。 15．合成氨工业中原料气（H2、N2和少量CO的混合气）在进入合成塔前常用Cu（NH3）2Ac溶液来吸收原料气中的CO，该反应的，化学方程式为： （1）必须除去原料气中的CO的原因是 。 （2）吸收CO后的溶液经过适当处理又可再生，再生的适宜条件是______。 A．高温低压 B．高温高压 C．低温低压 D．低温高压 （3）已知合成氨反应，根据下表数据，计算X＝ 。 化学键 H-H N-H 键能 946.0 436.0 X （4）一定温度下，下列可以作为判断上述合成氨反应达到平衡状态的依据是______。 A．气体的压强不变 B． C．K不变 D．容器内气体的密度不变 （5）合成氨反应的化学平衡常数K与温度T的关系如下所示： T/℃ 200 300 400 K K1 K2 0.5 ①比较K1、K2的大小，K1 K2（填“＜”“＞”或“＝”），说明原因 。 ②400℃时，反应的化学平衡常数的值为 ，当测得、和物质的量分别为和时，则该反应的 （填“＜”、“＞”或“＝”）。 【答案】（1）防止催化剂中毒 （2）A （3）390.8 （4）A （5）＞ 合成氨反应 （放热），升高温度时，平衡向逆反应方向移动，平衡常数K减小 2 ＞ 【解析】（1）在合成氨反应中，使用的铁触媒催化剂对CO非常敏感。CO会吸附在催化剂表面，使其失活（中毒），导致反应效率降低。因此，必须预先除去原料气中的少量CO，以保证催化剂的活性，故答案为：防止催化剂中毒； （2）吸收CO的反应为：，该反应放热，且气体体积减小（有CO气体参与）。再生是上述反应的逆反应（吸热、气体体积增加）。根据勒夏特列原理：升高温度有利于吸热反应（逆反应）。降低压力有利于气体体积增加的反应（逆反应）。因此，再生的适宜条件是高温低压，故答案为A； （3）反应焓变 等于反应物键能总和减去生成物键能总和。反应物键能总和：；生成物键能总和：，反应为放热，，，解得：，； （4）A.在恒温恒容条件下，压强与气体总物质的量成正比。若压强不变，则气体总物质的量不变，表明反应达到平衡，A正确； B. ：平衡时，用不同物质表示的正逆反应速率应满足计量系数比，即 （或 ）。此处 不满足平衡条件，B错误； C. 平衡常数K只与温度有关，温度不变时K恒定，不能判断是否达到平衡，C错误； D. 密度 。恒容容器中气体总质量不变，密度始终不变，不能作为平衡判据，D错误； 综上，只有A正确； （5）①，原因：合成氨反应 （放热），升高温度时，平衡向逆反应方向移动，平衡常数K减小。K1对应200℃，K2对应300℃，温度升高，K减小，； ②正反应（合成氨）在400℃的平衡常数K = 0.5，逆反应 的平衡常数 ；对于逆反应，反应商 。平衡常数 ，Q < K'，说明反应正向（）进行，故 ；故答案为：＞；合成氨反应 （放热），升高温度时，平衡向逆反应方向移动，平衡常数K减小；2；＞。 拓展培优 16．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。 【解析】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。 17．1913年，德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。如图所示为哈伯法的流程图，下列说法错误的是 A．为保持足够高的原料转化率，应在反应达到一定时间时将氨从混合气中分离出去 B．操作①中“净化”可以防止催化剂中毒 C．操作③中“500℃”是催化剂催化活性的最佳温度 D．操作②④⑤均既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率 【答案】D 【分析】N2和H2净化后，通过压缩机加压、在催化剂作用下在合成塔中发生可逆反应生成氨气，将反应后气体经过液化分离得到液氨将其分离出去，还有大量未反应的N2和H2，将其回流到压缩机中，通过氮气和氢气的循环使用，可以提高原料的利用率，据此解答。 【解析】A．在反应达到一定转化率时及时将氨从混合气中分离出去，使平衡正向移动，故可保持足够高的原料转化率，故A正确； B．步骤①中“净化”是除去杂质，以防止催化剂中毒，故B正确； C．合成氨的反应是放热感应，高温不利于反应正向进行，操作③中选择“500℃”是催化剂催化活性的最佳温度，催化效率较高，故C正确； D．操作④液化分离中，将氨从混合气中分离出去，使平衡正向移动，可以提高原料的转化率，但反应速率变慢，故D错误； 故选D。 18．“绿氨”主要通过可再生能源进行电解水制氢，再与氮气反应合成。它不仅具有零碳排放的特点，还能作为高效的能量储存介质，为未来的可持续能源体系提供有力支持。 （1）已知：氨气的燃烧热为，氢气的燃烧热为，则与合成氨反应的热化学方程式为 。 （2）和氨硼烷均可与金属反应表现出一定的酸性，酸性： （填“>”“<”或“=”）。一定条件下等物质的量与反应的化学方程式为 。 （3）将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中（假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计），在恒定温度下使其达到分解平衡：。下列不能判断该分解反应已经达到化学平衡状态的是 （填选项）。 A． B．密闭容器中氨气的物质的量不变 C．容器中与的物质的量之比保持不变 D．密闭容器中总压强保持不变 E．形成6个键的同时有2个键断裂 F．气体平均相对分子质量不变 （4）在一容积为的密闭容器中加入和，一定条件下进行合成氨的反应。 ①反应进行到时测得体系中的物质的量为，则内，用表示的化学反应速率为 。 ②维持温度为，压强为的条件下达到化学平衡，该体系中氨气的体积分数为，则的平衡转化率为 ，压强平衡常数 （结果用分数表示，为用分压表示的平衡常数，分压总压物质的量分数）。 【答案】（1）   （2） （3）CF （4） 20% 【解析】（1）已知：氢气的燃烧热为，氨气的燃烧热为，则 ①  ， ②  ，根据盖斯定律可知①②即得到合成氨反应的热化学方程式  ； （2）分子中原子有一对孤电子对，分子中原子上的孤电子对与原子的空轨道形成配位键，使得分子中的原子上电子云密度变小，键极性变大，容易电离出氢离子，所以酸性：；一定条件下等物质的量与反应生成和，反应的化学方程式为； （3）A．由方程式可知，说明正逆反应速率相等，反应已达到平衡，故A不符合题意； B．密闭容器中氨气的物质的量不变说明正逆反应速率相等，反应已达到平衡，故B不符合题意； C．由方程式可知，反应生成的二氧化碳和氨气的物质的量之比始终为，容器中二氧化碳与氨气的物质的量之比保持不变不能说明正逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，故C符合题意； D．该反应是气体体积增大的反应，反应过程中容器内压强增大，则密闭容器中总压强保持不变说明正逆反应速率相等，反应已达平衡，故D不符合题意； E．由方程式可知，形成6个键的同时有2个键断裂说明正逆反应速率相等，反应已达到平衡，故E不符合题意； ．由方程式可知，反应生成的二氧化碳和氨气的物质的量之比始终为，气体平均相对分子质量始终保持不变，则气体平均相对分子质量不变不能说明正逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，故F符合题意； 故答案选CF； （4）①根据反应，生成时，消耗，容器体积，时间，根据，； ②设转化的物质的量为，根据反应，列出三段式： 已知氨气的体积分数为，因为在同温同压下，气体体积分数等于物质的量分数，所以，解得的平衡转化率；平衡时，，，总物质的量的物质的量分数的物质的量分数的物质的量分数，已知总压强，根据分压总压物质的量分数，则，根据压强平衡常数表达式。 19．在国民经济中占有重要地位。 （1）科学家在加热氯化铵和生石灰（主要成分是CaO）混合物时发现生成氨气，写出反应的化学方程式 。 （2）某催化合成氨的机理如下图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*表示。 ①合成氨的热化学方程式为 。 ②该反应决速步骤的能垒为 。 ③若起始时向容器内放入和，达平衡时放出的热量为，则Q （填“>”“<”或“=”）184kJ。 （3）时在容积为2L的恒容密闭容器中充入和，5min后达到平衡，测得的浓度为。 ①计算此段时间内的平均反应速率 。 ②计算该温度下平衡常数 （保留2位小数），当测得该温度下2L的恒容密闭容器中和的物质的量分别为时，则此时该反应的 （填写“>”“=”或“<”）。 ③合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是 （填字母）。 A．采用较高压强（）    B．采用的高温 C．用铁触媒作催化剂    D．将生成的氨液化并及时从体系中分离出来 【答案】（1） （2） 79 < （3） 1.07 < BC 【解析】（1）铵盐能与碱性物质加热生成氨气，则加热氯化铵和生石灰生成氨气的化学方程式为：。 （2）①根据反应机理流程图可知：的反应物总能比生成的能量高，说明反应为放热反应，则合成氨的热化学方程式为：； ②基元反应中，能垒最高的基元反应为决速步，该反应中能垒最高的为79kJ，则决速步骤的能垒为79； ③若起始时向容器内放入和，应合成氨反应为可逆反应，无法完全转化，所以放出的热量。 （3）时在容积为2L的恒容密闭容器中充入和，5min后达到平衡，测得的浓度为，物质的量为，则反应的的物质的量为0.2mol；列三段式： ； ①此段时间内的平均反应速率； ②该温度下的平衡常数；当该温度下2L的恒容密闭容器中和的物质的量分别为时，此时的浓度熵，则平衡向逆反应方向移动，有； ③A．增大压强，平衡向正反应方向移动，可以提高转化率，符合平衡移动原理，A不符合题意； B．升高温度，平衡向逆反应方向移动，转化率降低，不符合平衡移动原理，B符合题意； C．催化剂不改变平衡的移动，不影响转化率，不符合平衡移动原理，C符合题意； D．减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动，可以提高转化率，符合平衡移动原理，D不符合题意； 故答案为：BC。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第二章 化学反应的方向、限度和速率 第四节 工业合成氨 第1课时 合成氨适宜生成条件的选择 教学目标 1. 能够掌握化学反应调控的基本原理和方法，理解不同因素对化学反应的影响。 2. 能够运用所学知识，分析和解决化学反应中的实际问题，培养学生的实验操作能力和科学思维能力。 重点和难点 条件对于平衡的影响、条件对于速率的影响、条件对于设备等的影响 ◆知识点一 氮的存在和固定 1．存在 主要以游离态存在于空气中，大气中氮气占空气体积的78%。 2．氮的固定 （1）概念：氮的固定是指将游离态氮转变为化合态氮的方法。 （2）分类 生物固氮 氮的固定 大气固氮 人工固氮 特别提醒/易错提醒/教材延伸 氮的固定是指N2转化为氮的化合物的过程，植物吸收的氮肥不一定是N2. 即学即练 1．有关工业固氮的说法正确的是 A．使用铁催化剂可提高反应物的转化率 B．循环使用、可提高的产率 C．温度控制在左右有利于反应向正方向进行 D．增大压强有利于加快反应速率，所以压强越大越好 2．合成氨工业中采用循环操作，主要是为了 A．降低氮的沸点 B．降低该反应的焓变 C．提高氮气和氢气的利用率 D．减少平衡混合物中氨气的含量 ◆知识点二 合成氨反应的特点 N2(g) +3H2(g)2NH3(g) ΔH<0 从化学方程式可知，合成氨反应的特点有：可逆反应、正反应气态物质的体积减少、正反应是放热反应、熵减。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 合成氨是个熵减的反应。 即学即练 1．下列关于工业合成氨的说法正确的是 A．工业合成氨采用10～30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 B．选择不同的催化剂会改变此反应△H的数值 C．合成氨工业中采用低温以提高平衡转化率 D．合成氨工业中液化分离出氨，提高产率 2．下列关于合成氨的说法正确的是 A．适当延长反应时间，可以提高合成氨气的平衡产率 B．升温会导致原料的平衡转化率降低 C．压强越大，合成氨的综合效益越好 D．铁触媒能减小该反应的焓变 3．合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是 A．合成氨选择400℃～500℃进行，该温度下铁触媒的活性最大，可提高反应的平衡转化率 B．压缩机加压是为了保证尽可能高的平衡转化率和反应速率 C．为了防止催化剂中毒，原料气须经过净化处理 D．热交换的目的是预热原料气，同时对合成的氨气进行降温，利于氨气液化分离 ◆知识点三 从合成氨反应的限度和速率分析 1．从合成氨反应限度的角度 在温度一定时，增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量； 在压强一定时，降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。 2．从合成氨反应速率的角度 升高温度、增大压强及使用催化剂等都可以使合成氨的化学反应速率增大。 综上所述，要使合成氨反应又快又多，理论上的生产条件是：高压、适宜温度、催化剂。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动。 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。 即学即练 1．对于工业合成氨反应，采取下列反应条件不是为了提高氨气的平衡产率的是 A．将氨液化移出 B．投料时，稍微过量 C．不选择常温，而选择温度为 D．不选择常压，而选择压强为 2．合成氨工业在国民生产中有重要意义。工业上合成氨的反应为，下列说法错误的是 A．使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B．该反应的反应物的键能总和大于生成物的键能总和 C．通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度 D．在上述条件下，每消耗，同时生成 3．工业合成氨的反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H= -92kJ/mol  ΔS= -198.2J/(mol‧K)有关化学反应调控说法错误的是 A．合成氨气，理论上选用低温、高压的条件进行控制，有利于提高合成氨的产率 B．该反应在常温下可以自发进行 C．将生成的NH3进行液化，有助于提高反应速率 D．结合生产实际，可以适当提高原料气体中N2的含量 ◆知识点四 合成氨的适宜条件 1. 催化剂的选择：合成氨工业要求催化剂具有活性强、机械强度高、不易中毒、容易制备、价格低廉等特点，目前公认的最适当的催化剂是铁催化剂。 2. 温度的选择：在兼顾反应速率和反应限度两个因素的同时，考虑到铁催化剂的活性温度，一般选择在500℃左右的温度。 3. 压强的选择：高压既能使平衡正向移动，也能加快反应速率，但受动力、材料、设备等条件限制，一般采用的压强是20~50MPa。 4. 反应物和生成物浓度的影响：①将氨液化分离后的原料气循环使用，②及时补充氮气和氢气，③维持氢氮比为2.8~2.9。 特别提醒/易错提醒/教材延伸 1. 合成氨反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH＜0，加压、降温、减小NH3的浓度均有利于平衡向正反应方向移动。 2. 将原料气循环利用也可提高原料的转化率。 即学即练 1．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应为。在不同温度、压强和相同催化剂条件下，初始时、分别为、，反应达到平衡后混合物中氨的体积分数如图所示。示下列说法正确的是 A．该反应的， B．图中、和由大到小的顺序是 C．高效催化剂会减小反应的 D．图中点时气体总物质的量约为 2．有关合成氨工业的说法中，正确的是 A．增大的浓度，可提高的转化率 B．合成氨工业的反应温度控制在，目的是使化学平衡向正反应方向移动 C．由于氨易液化，在实际生产中会循环使用，所以总体来说氨的产率很高 D．合成氨厂采用的压强是，因为该压强下铁触媒的活性最大 3．下列关于合成氨工业说法不正确的是 A．根据勒夏特列原理，500℃左右比室温更有利于合成氨的反应 B．合成氨厂一般采用10MPa~30MPa，综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素 C．将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应 D．将原料气进行净化处理，是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒” 一、合成氨反应的特点 可逆反应 合成氨反应 正反应气体体积减小 焓变ΔH<0，熵变ΔS<0 常温下，ΔH-TΔS<0，常温能自发反应 实践应用 1．工业上用N2和H2合成NH3，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．消耗0.1mol H2时，生成N-H键数目为0.2NA B．合成氨反应温度一般选择400～500℃，因为该反应为吸热反应 C．0.4mol N2所含电子的数目为4NA D．氧化22.4L NH3生成NO，消耗O2分子数为2NA 2．已知下图为工业合成氨的流程图。下列说法正确的是 A．此反应自发进行的温度应低于 B．步骤②中“加压”不能提高原料的转化率，但可以加快反应速率 C．步骤④中反应温度越高，催化剂活性越大，反应速率越快 D．步骤④⑤均有利于提高原料的平衡转化率 3．下图是工业合成氨反应中铁触媒作为催化剂的催化历程，下列说法正确的是 已知：① ； ②  ； ③  。 A． B．反应①逆反应的活化能为 C．键能关系： D．相同条件下，反应的③速率最慢 2、 提高合成氨反应的限度和速率的措施 从反应限度考虑，合成氨反应需：低温、高压。 从反应速率考虑，合成氨反应需：高温、高压、催化剂。 实践应用 1. 对于工业合成氨的反应，下列措施有利于加快反应速率的是 A．降低温度 B．减小的浓度 C．及时抽走部分氢气 D．加入适宜的催化剂 2. 对于合成氨反应，既可以提高平衡体系中 NH3 的百分含量，又能加快反应速率的措施是 A．升高温度 B．将平衡体系中的氨气分离出来 C．增大体系压强 D．加入合适的催化剂 3. 哈伯在1908年申请循环法合成氨的专利，合成氨实验所用装置如下。下列说法不正确的是 A．进口a通入的是经过压缩的N2和H2 B．出口b的气体可以直接通入饿催化剂反应器 C．出口c是液态NH3出口，可用于冷却离开催化剂的气体 D．冷却水从A口进，B口出，用来给合成氨反应降温防止温度过热 3、 合成氨适宜的生产条件 化工生产条件的选择需要注意的问题： （1）选取适宜的化工生产条件时，既要考虑反应速率问题，又要考虑化学平衡移动的问题，同时也要考虑化工生产中的动力、材料、设备、催化剂等因素的影响，综合选取适宜条件。 （2）温度的选择，不仅要考虑速率、平衡问题，同时还要照顾到催化剂的活性。 （3）压强的选择，除了考虑速率和平衡问题，还要考虑对设备的技术要求和成本问题。 实践应用 1. 合成氨对人类生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮，其合成原理为：  。下列说法不符合工业合成氨生产实际的是 A．增大压强，可增加单位体积内的活化分子数目，则速率增大 B．实际生产温度主要由催化剂决定 C．在实际生产中温度越高，化学反应速率一定越快 D．液化分离有利于合成氨 2．工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。铁触媒作用下，和合成的反应为   ，其反应机理可简单表示如图(*表示吸附态，中间部分表面反应过程未标出)： 已知：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。下列说法正确的是 A．合成氨反应在任何温度下都可以自发进行 B．液化分离出产物，可能有利于提高合成氨反应速率 C．适当增加，可以加快合成氨的反应速率并提高的转化率 D．加压、降温和使用铁触媒做催化剂都可以提高氨的平衡产率 3．科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了合成氨的反应历程，如图所示。其中吸附在催化剂表面的物质用*表示，TS表示过渡态。下列说法正确的是 A．图示历程包含了9个基元反应 B．原料气，平衡时，氨气的体积分数为20％，则氮气的转化率约为33.3％ C．实际工业生产中，合成氨一般采用的温度为400～500℃，是为了提高氨气产率 D．反应的，说明H—H键断裂放出热量 考点一 合成氨的反应原理 【例1】中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理： ΔH=-92.4 kJ·mol-1及反应流程如图所示。下列说法正确的是 A．合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B．使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C．及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D．实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 解题要点 制取原料气主要含有N2、H2，以及CO等杂质气体，净化时，除去杂质气体，防止催化剂中毒，将N2、H2经压缩机压缩成高压气体，在合成塔中发生反应：，及时分离出液氨，促进平衡正向移动 【变式1-1】合成氨反应： 下列说法不正确的是 A．该反应，升高温度，反应速率增大 B．对原料气需进行净化处理，防止催化剂中毒 C．生产中采用循环操作主要是为了增大化学反应速率 D．适当增大n(N2)：n(H2)投料比有利于提高的平衡转化率 【变式1-2】下列有关合成氨工业的说法正确的是 A．增大的浓度，可提高的平衡转化率 B．由于氨易液化，、在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率比较高 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是10Mpa～30MPa，因为该压强下催化剂铁触媒的活性最大 考点二 合成氨的图形题 【例2】一定条件下，将和按物质的量之比为3：1充入密闭容器中发生反应：。测得不同压强下，达到化学平衡时氨的物质的量分数()随温度变化如下图： 下列说法错误的是 A．压强： B．速率：b<a C．a点时，的转化率约为33% D．虚线表示条件下充入He后的图像 解题要点 1. 合成氨反应为气体分子数减小的反应，其它条件相同时，增大压强，平衡右移，平衡时氨的物质的量分数增大. 2. 恒容条件下充入非反应气体，压强增大，但反应物浓度不变，平衡不移动，平衡时氨的物质的量分数不变 【变式2-1】工业合成氨发生的反应为N2(g)+3H2 (g)⇌2NH3 (g)  ΔH < 0。其中丙图是恒温恒容条件下，t1时刻加入H2的变化图，且每个图像的自变量只有一个。下列图像不符合实际的是 A． B．C． D． 【变式2-2】与在固体催化剂表面合成的模拟示意图如图所示，图中1个分子或原子代表该分子或原子，已知。下列说法正确的是 分别代表、和 A．该反应在高温下可自发进行 B．实际生产采用高温和高压，目的是提高平衡产率 C．实际工业合成塔流出气体时尚未达到平衡状态，故使用固体催化剂能提高转化率 D．和断键生成和吸收的能量为 考点三 反应条件的控制 【例3】合成氨生产的适宜条件 （1）合成氨反应适宜条件分析 工业生产中，必须从 和 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 ，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 ，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 左右 2 物质的量 N2、H2投料比 3 压强 1×107～1×108 Pa 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 合成氨的生产流程的三阶段： 解题要点 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，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。 【变式3-1】合成氨是化学工业的重要基础，传统合成氨和新型合成氨的反应原理分别如下： Ⅰ．传统合成氨原理： 以氮气和氢气为原料反应，  。 （1）从化学反应限度的角度分析，合成氨的反应宜选择___________(填字母序号)。 A．低温高压 B．高温低压 C．高温高压 D．低温低压 （2）工业合成氨使用铁基催化剂时，通常选择在500℃和30MPa条件下进行反应，其原因是 。 （3）合成氨的净速率方程可表示为：，(“”、“”为正、逆反应速率常数，随温度升高而增大)。 ①该反应的平衡常数 (用含“”、“”的式子表示)； ②根据合成氨的净速率方程分析，反应速率并不是随温度的升高而单调地增大，如图所示。结合上述速率方程分析其原因为 。 Ⅱ．新型合成氨原理： 以甲烷和氮气作为原料气，按一定流速充入反应釜中，在作催化剂并持续放电的条件下，发生的主要反应如下：，还可能发生甲烷碳化等副反应。 （4）当原料气流以通过催化剂发生反应时，在反应釜出口处检测到，则氨气的产率为 。 （5）研究发现，其它条件相同时，原料气中后，氨气的产率明显下降，可能原因为 。 （6）在其它条件相同的情况下，下列因素或措施会影响反应釜中氨气产率的是___________(填字母序号)。 A．催化剂的选择性 B．原料气流的流速 C．分离出口气流中的氨气 D．催化剂的表面积 【变式3-2】合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题。合成氨反应原理为：   ，。 1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。一定条件下，氨的平衡含量如下表： 温度/℃ 压强/MPa 氨的平衡含量 200 10 81.5％ 550 10 8.25％ （1）合成氨反应在常温(298K)下 (选填A表示“能”或B表示“不能”)自发。 （2）哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，主要原因是 。 合成氨的逆反应速率随时间的变化如下图： （3）．由图可知，反应进行到a点时 。 A．v(正)>v(逆)            B．v(正)=v(逆)            C．v(正)<v(逆) （4）．时改变了某种反应条件，该条件可能是___________。 A．升温 B．增大氮气的浓度 C．使用催化剂 D．增大压强 针对以氮气作为氮源的合成氨反应速率与平衡产率的矛盾，科学家提出了两种解决方案。 方案一：电催化一氧化氮合成氨。下图是以、、为催化剂，用一氧化氮(NO)为氮源的电化学合成氨的中间体及其能量的机理图(*代表物质处于被催化剂吸附的状态) （5）．下列说法正确的是___________(不定项)。 A．使用O-distal路径和N-distal路径，合成氨反应的焓变是不同的 B．如果基元反应的产物相比反应物的能量增大得越多，则该基元反应速率越慢，那么催化效果最差 C．该方法能够同时实现大气污染物NO的去除和利用，被认为是一种可持续、清洁和环保的新能源技术 D．反应的温度越高越好，工业生产可以选用超高温 方案二：“球磨法”——一种基于机械化学在温和条件下由氮气合成氨的新方案。“球磨法”在温和的条件下(45℃和1bar，)合成氨，氨的最终体积分数可高达82.5％。该法分为两个步骤(如下图)： 第一步，铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化，产生高密度的缺陷，氮分子被吸附在这些缺陷上，有助于氮分子的解离。 第二步，N*发生加氢反应得到，剧烈碰撞中，从催化剂表面脱附得到产物氨。 （6）．“球磨法”与“哈伯法”相比较，下列说法中正确的是___________(不定项)。 A．催化剂(Fe)缺陷密度越高，的吸附率越高 B．“哈伯法”采用高温主要用于解离氮氮三键，而“球磨法”不用解离氮氮三键 C．“球磨法”中“剧烈碰撞”仅仅为了产生“活化缺陷” D．“球磨法”不采用高压，是因为低压产率已经较高，加压会增大成本 （7）．机械碰撞有助于催化剂缺陷的形成，而摩擦生热会使体系温度升高。图甲是吸附量、体系温度随球磨转速变化曲线，则应选择的最佳转速约 转/min；若选择500转/min的转速，的吸附量降低的原因是 。 基础达标 1．下列事实不能用勒夏特列原理解释的是 A．实验室新制氯水经光照后颜色变浅 B．夏天打开冰镇可乐瓶盖时产生大量泡沫 C．反应2HI(g)⇌H2(g)+I2(g)达到平衡后，缩小容器体积加压，气体颜色加深 D．合成氨工业中采用高压有利于提高原料的平衡转化率 2．化学的发展与社会的生产生活息息相关，下列说法中错误的是 A．氨的合成实现工业化过程中，综合考虑了原料、催化剂、设备等多方面因素 B．火箭发射时用肼作燃料，二氧化氮作还原剂，二者反应生成了氮气和水蒸气 C．脂肪作为人体重要的储能物质，还具有促进脂溶性维生素的吸收和维持体温恒定等作用 D．飞秒化学的研究对了解化学反应机理、控制反应进程、充分利用物质和能源有重要意义 3．氨既是一种重要的化工产品，又是一种重要的化工原料。下图为合成氨以及氨催化制硝酸的流程示意图。下列说法不正确的是 A．合成塔中采用高温、高压、催化剂等条件均可加快反应速率 B．吸收塔中通入A是为了提高原料的利用率 C．合成氨以及氨催化制硝酸的流程中氮元素均被氧化 D．尾气中含有能形成酸雨的成分 4．氨是一种重要的化工产品和化工原料，下图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图。 下列说法错误的是 A．R比较容易与反应 B．氧化炉中发生的反应为： C．向吸收塔中通入R气体，有利于提高硝酸的产率 D．工业生产中为了盛装大量浓硝酸，可选择铁作为罐体材料 5．下列关于工业合成氨的叙述正确的是 A．达到平衡后，升高温度，对正反应的反应速率影响更大 B．合成氨生产过程中将NH3液化分离，可提高、的转化率 C．合成氨工业中为了提高氢气的利用率，可适当增加氢气浓度 D．使用催化剂和施加高压，都能提高反应速率，但对化学平衡状态无影响 6．如图所示为工业合成氨的流程图。下列说法错误的是 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，又可以加快反应速率 C．为了提高原料的转化率，应及时将氨从混合气中分离出去 D．步骤③合成氨温度为500℃是因为该温度催化剂活性高且有利于提高原料平衡的转化率 7．合成氨工业采用下列措施是为了使平衡正向移动而提高反应物转化率的是 A．采用高温 B．采用高压 C．使用催化剂 D．以上均不对 8．对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH<0，下列说法中错误的是 A．该反应在低温条件下能自发进行 B．工业合成氨在高温高压的条件下NH3的产率最高 C．工业合成氨一般选择400~500℃的重要原因是考虑催化剂的活性 D．增大压强，活化分子百分数不变，反应速率加快 9．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。其合成原理为：    。 （1）下列关于工业合成氨的说法正确的是___________。 A．因为ΔH<0，所以该反应一定能自发进行 B．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在低温时可自发进行 C．合成氨反应选择在400～500℃进行的重要原因是此温度下氨的产率最高 D．生产中在考虑动力和设备材料承受能力的前提下，压强越大转化率越大 （2）在恒温恒容密闭容器中进行合成氨的反应，下列能说明该反应已达到平衡状态的是___________ A．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2 B．2v正(H2)=3v逆(NH3) C．容器内压强保持不变 D．混合气体的密度保持不变 （3）工业上合成氨的部分工艺流程如图：    请用平衡移动原理来解释在流程中及时分离出氨气和循环使用气体的原因 。 （4）某科研小组研究：在其他条件不变的情况下，改变起始物氢气的物质的量对工业合成氨反应的影响。实验结果如图所示(图中T表示温度)。则： 图象中T2和T1的关系是：T1 T2(填“>、<或=”)；a、b、c、d四点所处的平衡状态中，反应物N2的转化率最高的是 (填字母)。 10．合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。 （1）反应的化学平衡常数表达式为 。 （2）请结合下列数据分析，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气和氧气反应固氮的原因是 。 序号 化学反应 的数值 ① ② （3）如图是合成氨反应平衡混合气中的体积分数随温度或压强变化的曲线，图中、X分别代表温度或压强。其中X代表的是 (填“温度”或“压强”)； (填“>”“<”或“=”)原因是 。 综合应用 11．化学是一门研究物质、创造物质的学科，下列说法错误的是 A．碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器 B．综合考虑速率和产率因素，工业上合成氨通常选择400℃~500℃，10MPa~30MPa C．石油在加热和催化剂作用下，可以通过裂化，使链状烃转化为环状烃，获得苯、甲苯等 D．超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域 12．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 13．硝酸是重要的化工原料。下图为制硝酸的流程示意图。 下列说法正确的是 A．流程中，、和NO作反应物时，均作还原剂 B．合成塔中高温、高压的反应条件均是为了提高的平衡产率 C．吸收塔中通入空气的目的是提高NO的转化率 D．可选用铜作为盛装液氨和浓硝酸的罐体材料 14．下列图像与对应的叙述正确的是 A．图甲正确且能说明反应在时达到平衡 B．反应：，依据图乙可判断正反应为放热反应 C．稀释等体积、等pH的两种酸溶液pH的变化，则结合的能力： D．，图丁可判断三个点的平衡转化率： 15．合成氨工业中原料气（H2、N2和少量CO的混合气）在进入合成塔前常用Cu（NH3）2Ac溶液来吸收原料气中的CO，该反应的，化学方程式为： （1）必须除去原料气中的CO的原因是 。 （2）吸收CO后的溶液经过适当处理又可再生，再生的适宜条件是______。 A．高温低压 B．高温高压 C．低温低压 D．低温高压 （3）已知合成氨反应，根据下表数据，计算X＝ 。 化学键 H-H N-H 键能 946.0 436.0 X （4）一定温度下，下列可以作为判断上述合成氨反应达到平衡状态的依据是______。 A．气体的压强不变 B． C．K不变 D．容器内气体的密度不变 （5）合成氨反应的化学平衡常数K与温度T的关系如下所示： T/℃ 200 300 400 K K1 K2 0.5 ①比较K1、K2的大小，K1 K2（填“＜”“＞”或“＝”），说明原因 。 ②400℃时，反应的化学平衡常数的值为 ，当测得、和物质的量分别为和时，则该反应的 （填“＜”、“＞”或“＝”）。 拓展培优 16．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 17．1913年，德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。如图所示为哈伯法的流程图，下列说法错误的是 A．为保持足够高的原料转化率，应在反应达到一定时间时将氨从混合气中分离出去 B．操作①中“净化”可以防止催化剂中毒 C．操作③中“500℃”是催化剂催化活性的最佳温度 D．操作②④⑤均既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率 18．“绿氨”主要通过可再生能源进行电解水制氢，再与氮气反应合成。它不仅具有零碳排放的特点，还能作为高效的能量储存介质，为未来的可持续能源体系提供有力支持。 （1）已知：氨气的燃烧热为，氢气的燃烧热为，则与合成氨反应的热化学方程式为 。 （2）和氨硼烷均可与金属反应表现出一定的酸性，酸性： （填“>”“<”或“=”）。一定条件下等物质的量与反应的化学方程式为 。 （3）将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中（假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计），在恒定温度下使其达到分解平衡：。下列不能判断该分解反应已经达到化学平衡状态的是 （填选项）。 A． B．密闭容器中氨气的物质的量不变 C．容器中与的物质的量之比保持不变 D．密闭容器中总压强保持不变 E．形成6个键的同时有2个键断裂 F．气体平均相对分子质量不变 （4）在一容积为的密闭容器中加入和，一定条件下进行合成氨的反应。 ①反应进行到时测得体系中的物质的量为，则内，用表示的化学反应速率为 。 ②维持温度为，压强为的条件下达到化学平衡，该体系中氨气的体积分数为，则的平衡转化率为 ，压强平衡常数 （结果用分数表示，为用分压表示的平衡常数，分压总压物质的量分数）。 19．在国民经济中占有重要地位。 （1）科学家在加热氯化铵和生石灰（主要成分是CaO）混合物时发现生成氨气，写出反应的化学方程式 。 （2）某催化合成氨的机理如下图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*表示。 ①合成氨的热化学方程式为 。 ②该反应决速步骤的能垒为 。 ③若起始时向容器内放入和，达平衡时放出的热量为，则Q （填“>”“<”或“=”）184kJ。 （3）时在容积为2L的恒容密闭容器中充入和，5min后达到平衡，测得的浓度为。 ①计算此段时间内的平均反应速率 。 ②计算该温度下平衡常数 （保留2位小数），当测得该温度下2L的恒容密闭容器中和的物质的量分别为时，则此时该反应的 （填写“>”“=”或“<”）。 ③合成氨工业采取的下列措施不可用平衡移动原理解释的是 （填字母）。 A．采用较高压强（）    B．采用的高温 C．用铁触媒作催化剂    D．将生成的氨液化并及时从体系中分离出来 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $