第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书word（鲁科版 单选）

本高中化学讲义聚焦工业合成氨反应条件的优化，系统梳理反应限度（温度、压强、投料比对平衡的影响）、反应速率（浓度、催化剂作用）的理论基础，通过例题解析与探究活动衔接理论与实际生产条件选择，最终以知识网络和要点归纳构建完整学习支架。 资料亮点在于融合科学思维与科学态度，通过速率方程分析反应速率影响因素、压强温度选择的探究活动培养证据推理能力，结合工业原料循环利用、设备成本等实际问题渗透责任意识。课中探究活动辅助教师引导学生深化理解，课后练习题与知识网络帮助学生查漏补缺，强化应用能力。

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 [素养发展目标]　1.体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。2.了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。3.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。4.针对典型案例，能从反应限度等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。 一、合成氨反应的限度 反应 特点 影响 因素 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 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 [注意]　由于H2的来源不如N2的来源广泛，工业上一般选用稍过量的N2使合成氨反应正向进行。 二、合成氨反应的速率 增大合成氨反 应速率的方法 浓度与合成 氨反应速率 之间的关系 由速率方程v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)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 三、合成氨生产的适宜条件 1．合成氨条件的选择原则 (1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。 (2)选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。 (3)考虑设备和技术条件。 2．合成氨的适宜条件 (1)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(1×107Pa)、中压(2×107～3×107Pa)和高压(8.5×107～1×108Pa)三种类型。 (2)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（在此温度时催化剂的活性最大）。 (3)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做催化剂。 (4)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，并且及时将氨从反应混合物中分离出去。此外，还应考虑原料的价格，未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。 1．关于合成氨的反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol-1，下列说法正确的是(　　) A．升高温度有利于提高氮气的转化率 B．一定条件下，取3 mol氢气和1 mol氮气放在密闭容器中进行反应，放出的热量为92.2 kJ C．增加反应体系中氢气的量，化学平衡常数不改变，但可以提高氮气的转化率 D．使用催化剂有助于改变化学平衡常数K，提高氨的产率 C　[合成氨反应放热，升高温度使平衡逆向移动，氮气的转化率降低，A错误；由于该反应是可逆反应，反应物不可能完全转化为反应产物，故3 mol氢气和1 mol氮气反应时，放出的热量小于92.2 kJ，B错误；增加氢气的量，平衡正向移动，氮气的转化率提高，但对于一个给定的化学反应，化学平衡常数K只受温度的影响，C正确；使用催化剂不能改变化学平衡常数K，氨的产率不变，D错误。] 2．在特定条件下，合成氨反应的速率与有关物质的浓度存在关系式v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，下列为加快反应速率而采取的措施中不正确的是(　　) A．增大N2和H2的浓度 B．升高温度 C．使用催化剂 D．增大NH3的浓度 D　[由速率关系式可知，增大N2和H2的浓度，减小NH3的浓度，可加快反应速率；升高温度、使用催化剂均可加快反应速率。] 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，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700 K左右，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 B　[合成氨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分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，故D项错误。] 探究　工业生产中选择适宜生产条件的原则 (1)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因。 提示：　温度高于700 K，会使平衡逆向移动，降低反应物的转化率，温度低于700 K，反应速率小，并且在此温度时，催化剂的活性最大，有利于提高单位时间内的产量。 (2)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动，提高反应速率，而实际采用的最高压强为8.5×107～1×108 Pa，不采用更高的压强，其原因是什么？ 提示：　实际生产中，从动力消耗、设备要求、生产成本综合考虑，不是压强越大越好。 (3)N2和H2原料气在送入合成塔之前必需先净化的主要原因。 提示：　防止催化剂中毒。 选取适宜的化工生产条件时，要运用反应速率和化学平衡移动的相关知识，同时考虑化工生产中的动力、材料及设备等因素的影响，综合选取适宜的生产条件。 具体分析如下： 外界 条件 有利于加快反应 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 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） Δv(g)＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 Δv(g)＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 哈伯因发明了用氮气和氢气合成氨的方法，获得了1918年诺贝尔化学奖。其原理为N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0，ΔS　　　　（填“>”、“<”或“＝”）0。 (1)下列关于工业合成氨的说法不正确的是　　　　（填字母）。 A．因为ΔH<0，所以该反应一定能自发进行 B．采用高压是为了增大反应速率，但会使反应物的转化率降低 C.在高温下进行是为了提高反应物的转化率 D.使用催化剂增大反应速率是因为催化剂降低了反应的活化能 (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　　（填字母）。 a.容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2 b.3v正(N2)＝v逆(H2) 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 请用平衡移动原理解释在工艺流程中及时分离出氨气和将NH3分离后的原料气循环使用的原因________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)某科研小组研究在其他条件不变的情况下，改变起始时氢气的物质的量对工业合成氨反应的影响。实验结果如右图所示[图中T表示温度，n(H2)表示H2的物质的量]。 ①图中T2和T1的关系：T2　　（填“>”、“<”或“＝”）T1。 ②a、b、c、d四点所处的平衡状态中，N2的转化率最高的是　　　　（填字母）。 (5)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的浓度进行测定，得到的数据如表所示： 时间/min 5 10 15 20 25 30 c(NH3)/(mol·L-1) 0.08 0.14 0.18 0.20 0.20 0.20 ①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，向原平衡体系中加入H2、N2和NH3各4 mol，化学平衡将向　　　　（填“正”或“逆”）反应方向移动。 (6)已知：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol-1 N2(g)＋O2(g)===2NO(g)ΔH＝＋181 kJ·mol-1 2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)ΔH＝－483.6 kJ·mol-1 写出氨气催化氧化生成NO和水蒸气的热化学方程式______________________________。 解析：　合成氨反应为气体分子数减小的反应，故为熵减反应，即ΔS<0。(1)由ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，该反应需在一定温度下才能自发进行，A项错误；该反应为气体分子数减小的反应，因此高压可提高反应物的转化率，B项错误；该反应的ΔH<0，升温使平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C项错误；催化剂可改变反应历程，降低反应活化能，D项正确。(2)a项，容器中N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2是反应可能达到的一个特殊状态，与该反应是否达到平衡状态无关；b项，由化学方程式可知，v(H2)＝3v(N2)，则由3v正(N2)＝v逆(H2)可知，v正(H2)＝v逆(H2)，说明该反应达到平衡状态；c项，该反应达到平衡前，压强逐渐减小，则容器内压强保持不变说明该反应达到平衡状态；d项，恒容容器，容积不变，容器内混合气体的质量不变，则混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度保持不变不能作为该反应达到平衡的标志。(3)及时分离出氨气，可减小反应产物的浓度，从而可使平衡正向移动，提高产率，将NH3分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率。(4)①达到平衡时，T2温度下NH3的体积分数大于T1温度下NH3的体积分数，则T2<T1。②增大H2的物质的量，可提高N2的转化率，则c点的N2转化率最高。(5)①由表中数据可知，达到平衡时，c(NH3)＝0.20 mol·L-1，则： N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) 起始量/mol 2 5.2 0 转化量/mol 0.4 1.2 0.8 平衡量/mol 1.6 4.0 0.8 平衡浓度/(mol·L-1) 0.4 1.0 0.2 平衡常数K＝＝0.1。 ②向原平衡体系中加入4 mol N2、4 mol H2、4 mol NH3，则c(N2)＝＝1.4 mol·L-1，c(H2)＝＝2 mol·L-1，c(NH3)＝＝1.2 mol·L-1，Q＝＝≈0.13＞K，故化学平衡逆向移动。(6)将已知的3个反应，从上至下依次标记为①②③，根据盖斯定律，由②×2＋③×3－①×2得4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)　ΔH＝＋181 kJ·mol-1×2＋(－483.6 kJ·mol-1)×3－(－92.4 kJ·mol-1)×2＝－904 kJ·mol-1。 答案：　＜　(1)ABC　(2)bc　(3)减小反应产物的浓度，可使平衡正向移动，提高产率；将NH3分离后的原料气循环利用可提高原料的利用率　(4)①＜　②c　(5)①0.1　②逆　(6)4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)　ΔH＝－904 kJ·mol-1。 [知识网络] [要点归纳] 1．N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol-1。理论上增大反应物浓度和增大压强，及时分离出NH3及降低温度有利于氨气的合成。 2．升高温度，增大压强，加入合适催化剂能提高化学反应速率。 3．选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化合成气（氮气和氢气）的循环使用、反应热的综合利用等问题。 4．结合实际生产，合成氨一般选择铁做催化剂，控制反应温度700 K左右，中压且n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8。 1．可逆反应3H2(g)＋N2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　) A．升高温度，降低压强，增加氮气 B．降低温度，增大压强，加入催化剂 C．升高温度，增大压强，增加氮气 D．降低温度，增大压强，分离出部分氨 D　[合成氨反应是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，选项A、C中升高温度是错误的；合成氨反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，选项A是错误的，其他选项中增大压强是正确的；有关浓度的影响，增大反应物浓度或减小反应产物浓度，会使平衡向正反应方向移动，在合成氨反应中增加氮气和减少（分离出）氨可以使反应向正反应方向移动；加入催化剂可加快反应，但对平衡移动无影响，选项B是错误的。] 2．工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)的图像中，错误的是(　　) C　[合成氨的正反应是放热反应，升温，正、逆反应速率都增大，但逆反应速率增大的程度大，A正确；在T1时φ(NH3)最大，达到平衡，再升高温度，平衡逆向移动，φ(NH3)减小，B正确；降低温度，平衡正向移动，达到平衡时φ(NH3)增大，C错误；增大压强，平衡正向移动，达到平衡时φ(NH3)增大，D正确。] 3．在一恒容密闭容器中发生反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH<0，反应达到平衡后，改变某一外界条件，下列说法正确的是(　　) A．升高温度，正反应速率减小，逆反应速率增大，平衡逆向移动 B．升高温度可提高N2的转化率 C．增大H2的浓度可提高N2的转化率 D.使用高效催化剂可增大反应的化学平衡常数 C　[升高温度，正、逆反应速率均增大，平衡逆向移动，A错误；升高温度，平衡逆向移动，N2的转化率降低，B错误；增大H2的浓度，平衡正向移动，可提高N2的转化率，C正确；使用高效催化剂，只能改变反应速率，不能改变化学平衡常数，D错误。] 4．合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。 (1)X的化学式为　　　　。 (2)图中条件选定的主要原因是　 　（填字母）。 A.温度、压强对化学平衡的影响 B．铁触媒在该温度时活性大 C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制 (3)改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是　　　　，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是　　　　。（填字母） 解析：　(1)原料气N2和H2在一定条件下反应，生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2(Y)和H2(Y)进行循环利用。(2)温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20 MPa～50 MPa是从化学平衡理论分析的，压强越大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。(3)中考查压强、温度对化学平衡的影响。 答案：　(1)NH3　(2)BC　(3)c　a 学科网（北京）股份有限公司 $