2.4 化学反应的调控（合成氨为例） 导学案 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

该高中化学导学案聚焦工业合成氨，围绕反应原理、条件调控及生产过程展开，通过实验室制氨（氯化铵与氢氧化钙反应、浓氨水滴生石灰）实验现象引入，衔接化学反应速率与平衡理论，构建从实验室到工业生产的学习支架。 以合成氨为例整合理论与实践，分析反应特点及条件选择培养科学思维，结合原料气净化等工业流程设计探究题，提升科学探究与实践能力，助力学生形成综合调控化学反应的化学观念。

课题名称：第二章 第4节 化学反应的调控（以工业合成氨为例） 编号:13 2. 原料气的净化 （1）用稀氨水吸收H2S的化学方程式：H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O （2）除去CO的有关化学方程式：CO＋H2OCO2＋H2、 CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3 思考1：为什么对原料气进行净化？（从催化剂的角度考虑） 3.氨的合成和分离 （1）氨的合成：净化后的原料气进入氨合成塔，在高温、__________和____________作用下合成氨。 （2）氨的分离：从合成塔出来的混合气体通过冷凝管使氨液化，从而将氨分离出来。 思考2：合成塔出来的混合气体中约含15%体积分数的氨，分离出氨后的原料气为什么要进行循环操作？ 总结：在实际生产中常常需要结合_____________、____________、____________等情况，综合考虑影响 _____________________和___________________的因素，寻找最适宜的生产条件。 【迁移运用】 1.工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。其部分工艺流程如下： 请回答下列问题： （1）第②步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是 __________________________________________ （2）第①步操作中的原料气的“净化”目的是______________，第③步操作中的目的是_______________。 （3）工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类 似于下列哪种方法？______________(填编号)。 a．过滤 b．蒸馏 c．分液 d．萃取 你作出这个判断的理由是____________________________________________________________。 （4）可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气，如果漏气则会有白烟生成。该反应的化学方程式为 _________________________________________________。 2. 合成氨中，原料气（N2、H2、及少量CO、NH3的混合气体）在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，起反应为[Cu(NH3)2]+ + CO + NH3 [Cu(NH3)3CO]+ △H＜0。 （1）铜氨液吸收CO适宜的生产条件是__________________。 （2）吸收CO后的铜氨液经过适当处理可再生，恢复其吸收CO的能力，可循环利用。铜氨液再生适宜的生产条件是_____________________。 教学目标：1.了解合成氨的反应原理、基本生产过程及合成氨工业的发展；2.理解 如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。 【了解感知】 一、氮气的制备 1．实验室制氨气原理（方程式）2NH4Cl + Ca(OH)2 == 2NH3↑ + CaCl2 + H2O ； 注意：反应的试管口要微微向下，防止生成的水冷凝倒流回试管底部导致试管炸裂； 收集气体的试管口塞上棉花目的是减缓氨气与空气对流。 另外也可以将浓氨水滴到生石灰上制备氨气，请写出该过程中涉及到的化学 方程式CaO + H2O == Ca(OH)2 NH3·H2O == NH3 + H2O。 2．工业合成氨的反应原理 如右图为合成氨的简易实验装置，加热试管中的铁丝绒至红热后注入 氢气和氮气的混合气体，可以看到湿润的pH试纸变 色。 【深入学习】 二、工业合成氨反应条件的选择 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) △H=－92.4kJ/mol 1. 反应特点：①气体分子总数 的反应；②放热反应；③N2键能很大，所以成为活化分子所需能量也很高，则需要高温、高压、催化剂。 2. 合成氨条件的理论分析与实际化工条件比较 理论角度 实际化工条件 速率角度 提高反应速率的条件：① 温度；② 压强；③ 反应物浓度；④使用催化剂 温度：400～500℃ 压强：10～30 MPa 催化剂：以铁为主 平衡角度 ①温度越高，NH3的产率越 ；②压强越大，NH3的产率越 ；③不断分离出NH3，反应物的转化率越____ （1）压强选择为10~30MPa，不能太低，太低反应速率________，氨气产率_______；不能太高，太高对 _________的强度和__________的制造要求高，所需_______大，会降低_____________________。 （2）温度选择为400～500℃，不能太低，太低反应速率________，不能太高，太高氨气产率_______；且是催化剂铁触媒在500℃左右时活性最____。 三、工业合成氨的基本生产过程 1. 制备合成氨的原料气 （1）制取N2 物理方法：将空气液化，蒸发分离出氧气。 化学方法：将碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取氮气。 （2）制取H2 方法①用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳反应制得，主要反应为 。 ②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制备。以天然气与水蒸气为例，发生的主要反应为CH4＋H2OCO＋3H2、CH4＋2H2OCO2＋4H2。 反思： 高二化学 第1页(共2页) 25 高二化学 第2页(共2页) 一、单项选择题（每小题2分，共20分） 1.合成氨工业中采用循环操作，主要是为了(　　) A．降低氨的沸点 B．提高氮气和氢气的利用率 C．提高平衡混合物中氨的含量 D．增大化学反应速率 2.为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中具有开发价值的是(　　) A．研制高温下活性较大的催化剂 B．寻求N2的新来源 C．研制低温下活性较大的催化剂 D．研制耐高温高压的新型材料建造合成塔 3.合成氨生产过程采取的措施与化学平衡移动原理无关的是(　　) A.选择适当的温度 B.增大体系压强 C.使用铁触媒作催化剂 D.不断分离液氨 4.工业上用氢气和氮气合成氨，氢气的主要来源是(　　) A．水和碳氢化合物　　　　 B．电解水 C．锌和稀硫酸反应 D．液化空气 5.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，氨气占15%，所以生产氨的工厂效率都很低 B.由于氨易液化，N2和H2在实际生产中循环使用，所以总体来说，氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在500 ℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动 D.我国合成氨厂采用的压强是10~30 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 6.合成氨时既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是(　　) 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NH3　⑥补充N2或H2　 ⑦加催化剂 ⑧减小N2或H2的量 A．①④⑤⑦ B．③⑤⑧ C．②⑥ D．②③⑥⑦ 7.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)，673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如下图所示。下列叙述正确的是(　　) A．点a的正反应速率比点b的小 B．点c处反应达到平衡 C．点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样 D．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比上图中d点的值大 8.对于可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)(正反应为放热反应)，下列说法中正确的是(　　) A．达到平衡后加入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，H2的浓度比原平衡也大 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应的速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器的体积，既有利于加快正、逆反应速率，又有利于提高氢气的转化率 D．加入催化剂可以缩短达到平衡的时间，是因为正反应速率增大，逆反应速率减小 9. 在硫酸工业中，通过如下反应使SO2转化为SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)  ∆H<0。下列说法不正确的是 A．为使SO2尽可能多地转化为SO3，工业生产中的反应温度越低越好 B．使用合适的催化剂可加快该反应的反应速率 C．通入过量的空气可以提高SO2的转化率 D．反应后尾气中的SO2必须回收 10.在一定条件下，进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%，氢气的体积占78%，经合成反应达到平衡后，在相同温度和压强下，气体体积缩小至原体积的95%，氮气的转化率接近于(　　) A．11.5%　　　　　　B．10.5% C．9.75% D．13.2% 11. 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。图1是哈伯法的流程图，图2是反应历程。 (1)写出合成NH3的热化学方程式________________________________， 已知该反应的∆S=—198.2J·mol-1·K-1，计算298K下：△G= ___________，(保留2位小数点)，但实际上该反应常温下很难 发生，请从键能角度解释原因_______________________________。 (2)步骤③采用的催化剂是___________，使用催化剂后___________(填“增大”、“减小”或“不变”)； 步骤③中选择500℃的主要原因________________________________________________________， 步骤①的目的是__________________________________________________________________。 (3)图1中为提高原料转化率而采取的措施是___________。 A．①②③ B．②④⑤ C．①③⑤ D．②③④ (4)500℃、20MPa时，将和置于一容积为2L的密闭容器中发生反应。反应过程中、和物质的量变化如图所示，回答下列问题： ①反应开始到第10min，的平均反应速率为___________。 ②反应进行到10min至20min时改变的条件可能是___________。 A．减小容器体积    B．升温    C．分离出NH3    D．加入了 ③在25min改变条件后，平衡___________(填“正”或“逆”)向移动，达到新平衡后的体积分数比原平衡___________(填“大”或“小”)。 第二章 第四节 化学反应的调控 导学案答案 【了解感知】 一、氮气的制备 2. 蓝 【深入学习】 2、 合成氨的反应原理 1. 减小 2. 升高 增大 增大 低 高 高 （1）小 低 材料 设备 动力 综合经济效益 （2）小 低 大 三、工业合成氨的基本生产过程 1. （2） 思考1：合成氨需要纯净的氮气和氢气。在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂中毒而失去催化作用。 3.（1）高压 催化剂 思考2：①合成氨反应转化率低，从合成塔出来的混合气体中氮气和氢气的含量较大；②循环操作的主要目的是充分利用原料、降低成本；③循环操作利于实现全封闭、连续化生产，利于减少工序、控制废物的排放。 总结：设备条件 安全操作 经济成本 化学反应速率 化学平衡 【迁移运用】 答案：(1)高温、高压 (2)防止催化剂中毒 提高原料利用率(或提高经济效益等) (3)b 通过改变温度而改变物质的状态，达到分离的目的 (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2 解析：(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，所以为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。 (3)降低温度，氨变为液态，从而进行分离，所以跟工业上利用的蒸馏类似，都是通过改变温度，使物质的状态发生变化而分离。 (4)2NH3＋3Cl2===N2＋6HCl，生成的HCl又与NH3反应生成NH4Cl小颗粒——白烟产生。 2.（1）低温高压 （2）升高温度 第二章 第四节 化学反应的调控 测学答案 1-5 BCCAB 6-10 CDCAA 11. 无特殊说明，每空2分，共20分 (1) N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=－92kJ/mol －32.94 氮分子中存在氮氮叁键，键能较大，导致反应过程中的活化能较大，使得反应常温下很难发生 (2)铁触媒（1分） 减小（1分） 500℃为催化剂的活性温度 除去混合气中的杂质，防止催化剂中毒 (3)B (4) 0.0025 A 正（1分） 小（1分） 1.将未完全反应的氮气和氢气再循环可以提高氮气和氢气的利用率，对反应速率和平衡时氨的含量无影响 2.A.对于合成氨来说，500°C左右活性较大的催化剂是铁触媒，是已经使用的条件，选项A错误; B.空气中氮气含量最多，空气是氮气的主要来源，这不是要研究的课题，选项B错误; C、研制低温下活性较大的催化剂，符合现代工业合成氨的方向，有利于大幅提高氨的产率，选项C正确; D.研制耐高温、高压的新材料，成本过高，没有开发价值，选项D错误. 3.对于合成氨反应，温度、压强和分离出液氨都会使得平衡移动，催化剂只改变反应速率不影响平衡移动 4.制取H2用水蒸气通过赤热的煤层，使水蒸气与碳反应制得： 5.解析：虽然从合成塔出来的混合气体中NH3只占15%,但由于原料气N2和H2循环使用和不断分离出液氨，所以生产NH3的效率还是很高的，A项错误；控制反应温度为500 ℃，一是为了使反应速率不至于很低，二是为了使催化剂活性最大，C项错误；增大压强有利于NH3的合成，但压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高，我国的合成氨厂一般采用1×107~3×107 Pa，但这并不是因为该压强下铁触媒的活性最大，D项错误。 6.①减压，反应速率减小，产率减小②加压，反应速率增大，同时合成氨反应平衡正向移动，氨的产率增大③升温，反应速率加快，合成氨反应逆向移动，氨的产率减小④降温，反应速率减小，氨的产率增大⑤及时从平衡混合气中分离出NH3，氨浓度减小，平衡正向移动，氮气和氢气浓度减小，反应速率减小⑥补充N₂或H₂，反应物浓度增大，反应速率增大，同时平衡正向移动，氨的产率增大⑦加催化剂，反应速率增大，但平衡不移动，氨的产率不变⑧减小N2或H₂的量，反应速率减小，同时平衡逆向移动，氨的产率减小 7.A.反应向正反应方向进行，正反应速率不断减低，点a的正反应速率比点b的大 B.c点H2的物质的量仍在降低，NH3的物质的量仍在升高，反应向正反应方向进行 C.从d点到e点，仍处于平衡状态，平衡未移动，所以N2的物质的量相等 D.从673K升高至773K，升高温度平衡向逆反应方向移动，n(H2)增大 8.选C　达到平衡后，加入N2平衡向正反应方向移动，NH3的浓度增大了，而H2的浓度会减小；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡向逆反应方向移动，不利于NH3的生成；达到平衡后，缩小体积即增大压强，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，有利于提高H2的转化率；加入催化剂，能同等程度地增大正、逆反应速率，缩短反应达到平衡的时间。 9.A.反应温度太低，反应速率过慢，不利于工业生产 C.通入过量的空气相当于氧气的浓度升高，平衡正向移动，SO2的转化率提高 D.SO2是有毒气体，必须回收 10.选A　设混合气体的体积为100 L，反应掉N2的体积为x。 　　　 　N2　 ＋　3H22NH3 　开始　22 L　　　78 L　　　 0 　平衡　22 L－x　 78 L－3x　2x 　由题意：＝95% 解得x＝2.5 L α(N2)＝×100%＝11.4%。 11【详解】（1）由图可知，1mol氨气和3mol氢气生成2mol氨气时放出热量92kJ，则合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=－92kJ/mol，由题可知，反应ΔH－TΔS=—92kJ/mol－298K×[(－198.2J/(mol⋅K)]×10－3kJ/J=－32.94kJ/mol，反应ΔH－TΔS＜0说明该反应常温下能自发进行，但反应物氮气分子中存在键能较大的氮氮叁键，导致反应过程中的活化能较大，使得反应常温下很难发生，故答案为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=－92kJ/mol；－32.94；氮分子中存在氮氮叁键，键能较大，导致反应过程中的活化能较大，使得反应常温下很难发生； （2）步骤③采用的催化剂是铁触媒，使用催化剂可以改变反应历程，降低反应的活化能，加快反应速率，则使用催化剂后正反应的活化能减小；步骤③中选择500℃的主要原因是500℃为催化剂的活性温度，催化剂的活性强；步骤①的目的是除去混合气中的杂质，防止催化剂中毒，影响反应的发生，故答案为：铁触媒；减小；500℃为催化剂的活性温度；除去混合气中的杂质，防止催化剂中毒； （3）①为净化原料气的目的是防止催化剂中毒，不能提高原料转化率，故不符合题意； ②合成氨反应是气体体积减小的反应，加压，平衡向正反应方向移动，有利于提高原料转化率，故符合题意； ③使用催化剂可以降低反应的活化能，加快反应速率，但化学平衡不移动，原料转化率不变，故不符合题意； ④分离与产品氨气，生成物的浓度减小，平衡向正反应方向移动，有利于提高原料转化率，故符合题意； ⑤氮气、氢气循环利用可以提高原料的利用率，有利于提高原料转化率，故符合题意； ②④⑤符合题意，故选B； （4）①由图可知，10 min时氮气的物质的量为0.35mol，则反应开始到第10min，氮气的反应速率为=0.0025 mol/(L·min)，故答案为：0.0025； ②由图可知，反应进行到10 min时，条件改变的瞬间，反应物和生成物的浓度都不变，但随后反应速率明显加快； A．减小容器体积的瞬间，反应物和生成物的浓度都增大，反应速率增大B．该反应为放热反应，升高温度，化学反应速率加快，但平衡向逆反应方向移动，生成物的物质的量减小，故不符合题意； C．分离出NH3会使得氨气的物质的里瞬间降低，与图示不符  D．加入氢气，条件改变的瞬间，氢气的浓度会增大，故不符合题意； ③由图可知，25min条件改变的瞬间，反应物的物质的量都不变，氨气的物质的量减小减小，说明改变条件为分离出氨气，氨气浓度减小，平衡向正反应方向移动，但达到新平衡后氨气的体积分数比原平衡小，故答案为：正；小。 学科网（北京）股份有限公司 $