第2章 学案14 化学反应条件的优化——工业合成氨-【智学校本学案】2025-2026学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

(0.6mol·L1):(0.2mol·L1)=3:1=a:b,则a:b: 课堂达标 c=3:1:2,所以该反应的化学方程式为3A(g)十B(g) 1.D[没有气体参与的反应，增大压强化学反应速率不变，故 2C(g)。 A错误；使用催化剂，使反应的活化能降低，反应速率加快， (3)丙容器中v(C)=9.6mol·L1·min1=0.16mol·L-1 故B错误；减小反应物的浓度，可以减少单位体积内活化分 ·s1,则丙容器中v(B)=0.08mol·L1·s1,甲容器中 子数，从而减慢化学反应速率，故C错误；升高温度，部分普 v(B)=0.1mol·L1·s1,乙容器中o(B)=0.12mol·L-1 通分子获得能量转化为活化分子，活化分子百分数增大，有 ·s1,故甲、乙、丙三个容器中反应速率由快到慢的顺序为乙 效碰撞次数增多，化学反应速率加快，故D正确。] >甲>丙。 2.B[铁在质量分数为98%的浓硫酸中发生钝化，致密的氧化 [答案](1)0.05mol·L-1·s1 膜阻碍反应的继续进行，则用铁片与稀硫酸反应制取氢气 (2)3A(g)+B(g)一2C(g) 时，用质量分数为98%的浓硫酸不可能加快产生氢气的速 率，故A错误；用锌片与稀硫酸反应制取氢气时，加入数滴硫 (3)乙>甲>丙 酸铜溶液，锌与硫酸铜溶液反应生成的铜与锌在稀硫酸中构 学案13影响化学反应速率的因素 成原电池，原电池反应可以加快制取氢气的反应速率，故B 正确；锌粉的表面积大于等质量的锌片，与稀硫酸反应时接 课堂活动 触面积大于锌片，反应速率快于锌片，故C错误；增大压强， 活动一 合成氨反应的正、逆反应速率都加快，故D错误。] 新知导学 3.A[根据速率方程v=k(CH,)可知，v与氢气浓度无关，A (1)增大(2)正比0.760 错误；由反应在初期阶段的速率方程o=kc(CH4)可知，增大 新知生成 甲烷浓度，V增大，B正确；随着反应的进行，甲烷浓度减小， 1.加快减慢 生成乙烷的反应速率减慢，C正确；降低温度，反应速率降低， 2.(1)反应物浓度kc(H2O2)·c(HI)反应速率常数 因此k减小，D正确。] (2)单位浓度下快温度催化剂表面性质 4.B[温度升高，化学反应速率加快，故A正确；由①②得b 3.(1)正比(2)浓度(3)①增大加快②减小减慢 1,由①④得a=1,由②③得c=2,则等浓度的H+和BrO3, (4)几乎没有影响 c(H+)对反应速率的影响大，故B错误；由②③得速率方程 新知应用 中的c=2,故C正确；根据a=b=1,c=2,及③⑤得01=4.8 1.[答案](1)×(2)×(3)×(4)/(5)× ×10-8mol·L1·s1,故D正确。] 2.[答案](1)加快容积不变，充入氮气，反应物氮气的浓度 5.[解析](1)做对照实验时，使其他量相同，需研究的量不同 增大，反应速率加快(2)增大不变反应物氮气、氢气的 即可。表中数据显示，符合催化剂对反应速率影响的数据为 浓度均未变，反应速率不变(3)减慢增大氮气、氢气的 I和Ⅱ：同理，研究温度对反应速率的影响可用实验I和Ⅲ。 浓度减小，反应速率减慢(4)减慢 (2)实验I和V中，除了稀硫酸的浓度不同，其他量均相同，所 活动二 以对比I和Ⅳ，可知研究的是浓度对反应速率的影响；加入1 新知导学 L蒸馏水的目的是确保稀硫酸浓度不同和溶液，总体积相 (2)增大加快减小减慢不同 同。(3)实验I、Ⅲ、Ⅳ中，实验Ⅲ的温度最高，反应速率最快， 新知生成 所以初始阶段产生的二氧化碳的量最多，其次实验I的浓度 1.加快减慢 比实验Ⅳ大，反应速率较快，初始阶段生成的二氧化碳的 2.(1)2≈4 量多。 3.(1)中间旧键新键(2)④难活化能 释放的能量 [答案](1)IⅡ工Ⅲ(2)浓度确保稀硫酸浓度不 反应热(3)能量频率过渡态提高 同和溶液总体积相同(3)Ⅲ>I>V 4.(1)频率 学案14 化学反应条件的优化 新知应用 一工业合成氨 1.[答案](1)×(2)×(3)/(4)×(5)/ 课堂活动 2.A[升高温度，活化分子的百分数增加，有效碰撞的次数增 活动一 加，所以化学反应速率加快。] 问题探究 活动三 1.提示：合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减 新知导学 小（熵减小）的可逆反应。 2.降低增大变大 2.提示：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向 新知生成 移动。 3.接触面积 3.提示：升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速 新知应用 率。在特定条件下，根据关系式o=c(N2)·c5(H2)· 1.[答案](1)×(2)×(3)√(4)×(5)× c-1(NH3)可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有 2.D[催化剂能降低反应的活化能，能改变反应的历程，但不 利于提高合成氨的速率。 能改变反应的方向，A正确；催化剂同等程度的降低正、逆反 新知生成 应的活化能，能同倍数增大正、逆反应速率，B正确；催化剂能 1.可逆减小<<<能 降低反应的活化能，使活化分子的百分数增大，C正确；催化 2.高压高压高压高温低温使用无影响使用 剂能加快反应速率，但不影响反应的焓变，D错误。] 增大增大降低 131 新知应用 过程中，气体物质的量减小，压强减小，平衡逆向移动，即相 1.[答案](1)×(2)×(3)×(4)√(5)× 同温度下恒压比恒容的平衡转化率大，故②正确；合成氨反 2.C[△H<0,合成氨反应是放热反应，A项正确；△S<0,合 应气体体积减小，即为熵减小的反应，故③正确；“脱附”过程 成氨反应是嫡减小的反应，B项正确；△H一T△S<0时，反应 中需要从外界吸收热量，故④错误：过程包含四个步骤分别 能正向自发进行，故合成氨反应在低温时才能正向自发进 行，C项错误；合成氨反应为气体物质的量减小的反应，故增 为：1.分N+2H一N+3、.N+3H一 大压强，平衡正向移动，正反应放热，故降低温度，平衡正向 NH*+2H、t.NH'+2H—NH;+H、iW.NH;+ 移动，D项正确。门 H—NH,故⑤正确；通过液化分离NH,使体系中氨含 活动二 量降低，促使反应正向移动，但化学平衡常数不变，故⑥错 问题探究 误；若投入量n(N2):n(H2)=1:1,设N2的起始投料为 1.提示：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得 1mol、N2转化量为xmol,则任意时刻n(N2)=(1-x) 十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使 mol,n(H2)=(1一3.x)mol,n(NH3)=2xmol,任意时刻N2 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 1-x 产效率，可提高经济效益。 的物质的量分数为0=x)+1-3x)+2zX100%=50%, 2.提示：N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；适当 即N2的物质的量分数为定值，不能作为平衡判据，故⑦ 提高N2比例，加快合成氨的反应速率。 正确。] 新知应用 5.[解析](1)一水合氨属于弱电解质，水溶液具有弱碱性，A 1.[答案](1)×(2)/(3)/(4)×(5)× 错误；通过“压缩机”增大压强，有利于加快反应速率，B正确； 2.D[工业合成氨中N2和H2的循环使用，可以提高原料气 “循环压缩机”能将未反应完的氨气和氢气再次循环反应，降 的利用率，降低成本，故A正确；铁触媒是该反应的催化剂， 低生产成本，提高原料转化率，C正确；反应有非极性键的断 使用铁触媒，可使氨气和氢气混合气体之间的反应在较低温 裂和极性键的生成，D错误；通过“分离器”将液氨分离，平衡 度下取得较快的反应速率，故B正确；改变温度、反应物浓 正向进行，有助于提高原料转化率，E正确。(2)纵坐标是物 度、压强均可使合成氨正、逆反应速率不同倍增大、减小，故 质的能量，反应物总能量低于生成物总能量时反应为吸热反 题述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素 应，由图像可知步骤1和步骤2为吸热反应。(3)恒容密闭容 的影响，故C正确；压强越高，对生产设备的要求越高，所需 要的投入越大，所以工业生产中，合成氨一般采用压强为 器容积不变，只有气体参与反应，气体总质量不变，由口=巴 10~30MPa,过高的压强不利于提高经济效益，故D错误。] 知混合气体的密度恒定不变不能作为平衡的标志，a不符合 课堂达标 题意；由bV=RT可知恒温恒容容器中压强与其物质的量 1.A[合成氨正反应放热，温度越高反应速率越快，但氨的产 有关，混合气体的压强恒定不变时各物质含量不变，反应达 率越低，该反应选择400~500℃进行的重要原因是催化剂在 到平衡，b符合题意；N2的体积分数恒定不变说明各物质的 500℃左右时的活性最大，A正确；在工业生产条件优化时， 含量不再变化，反应达平衡，C符合题意；投料比为4：4= 不但要考虑经济性，还要考虑环保，不能只顾生产而污染环 1：1不等于化学方程式中的计量系数，只有反应达平衡时有 境，B错误；工业合成氨的反应△H<0、△S<0,温度较低时， N2与H2的物质的量之比恒定不变，d符合题意；NH3的浓 △H一T△S<0,反应可正向自发进行，高温时可能会△H 度恒定不变说明氨的物质的量不变，反应达到平衡，符合题 T△S>0,使反应不能正向自发进行，C错误；理论上氨气越 多越好，但充入过多的氮气会造成压强过大，对设备的强度 意。(4)10min时反应达到平衡，测得NH3的物质的量为 要求更高，而且会影响到产物中氨的分离，所以充入的氦气 1.6mol,则n(N,)=4mol-1.6mol×2=3.2mol,故 要有一定的限度，D错误。] 2.C[步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂 cN,)=n2_3.?mol=1.6mol.L,010min内， V 2L 质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应是气 3 1.6 mol 体物质的量减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移 v(H2)= 3 2u(NH,)=2×2LX10mi =0.12mol·L1 动，可提高原料转化率，增大压强，也可以使反应物浓度增 ·min。 大，则可加快反应速率，B项正确；步骤③为“催化反应”，催化 [答案](1)BCE(2)1、2(3)bcde(4)1.60.12 剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转 化率，C项错误；氨是制备氨肥的原料，液氨汽化时吸收热量， 学案15 探讨如何利用工业废气中的 可以作为制冷剂，D项正确。] 二氧化碳合成甲醇 3.B[①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正 向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按 课堂活动 照物质的量之比为1：3再通入一定量的N2和H2,压强增 活动一 大，平衡正向移动，氨气的平衡转化率增大；③增加NH的物 新知导学 质的量，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低；④维持恒压条 1.提示：(1)将二氧化碳捕获并存储（转化为无机碳酸盐）；(2)将 件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动， 二氧化碳高效转化为重要化学品、能源产品和材料等。 氨气的平衡转化率降低；故选B。] 2.提示：H2或H2O。 4.A[由图像可以看出，反应物起始能量高于反应产物，因此 3.提示：(1)甲醇(CHOH)是一种基础有机化工原料；甲醇是 总反应为放热反应，故①错误；相同温度下，恒压时反应过程 21世纪具有竞争力的清洁燃料之一，它易传输，可以单独或 中体积减小，相当于增大压强，有利于正向进行，恒容时反应 与汽油混合作为汽车燃料。 14鲁科版化学选择性必修1 课 学案14化学反应条件的优化 —工业合成氨 记 学司任多 1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化。 2.能运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响解释实际问题。 ●课堂活动◆ 可逆性：反应为反应 合成氨 体积变化：正反应是气体物质的量的反应 焓变：△H0,熵变：△S0 活动一 合成氨反应的限度与速率 应 自发性：常温(298K)下，△H-T△S0,正向自发 进行 !新知导学 2.提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较 合成氨是化学科学对人类社会发展与进步作 提高反 提高平衡 出巨大贡献的典例之一，合成氨工业包括原料气 条件 综合结果 应速率 转化率 、 的制备、净化、氨的合成及各种化肥的生产等。合 成氨技术使工业化人工固氮成为现实。已知合成 压强 氨反应：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)298K 兼顾速率和 时，△H=-92.2kJ·mol厂1△S=-198.2J· 温度 平衡，且考虑 mol1·K1。浓度与速率有如下关系：v= 催化剂活性 kc(N2)·c.5(H2)·c-1(NH3)。 催化剂 榮 增大反应物 反一反应物的 的浓度，且不 浓度 应物氮气或浓度， 断减小反应 氢气的浓度 反应产物 [问题探究] 产物的浓度 的浓度 1.分析合成氨反应的特点有哪些？ 从化学平衡的角度分析，在一定的温度、压强 下，反应物N2和H2的体积比为1：3时平衡混 合物中氨的含量最高。 2.根据外界条件对化学平衡的影响，你认为采取 D新知应用 哪些措施有利于氨的生成？ 1.正误判断 (I)工业合成氨的反应是△H<0、△S<0的反 应，在任何温度下都可自发进行。 () 3.通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的 (2)在合成氨的实际生产中，温度越低、压强越 速率？ 大越好。 () (3)在合成氨中，加入催化剂能提高原料的转 化率。 () D新知生成 (4)增大反应物的浓度，减少反应产物的浓度， 1.合成氨反应的特点 可以提高氨的产率。 () N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)△H=-92.2 (5)合成氨中在提高速率和原料的转化率上对 kJ·mol-1△S=-198.2J·mol1·K-1。 温度的要求是一致的。 () 1164 化学反应条件的优化一工业合成氨 学案14 2.298K时，合成氨反应N2(g)+3H2(g)一 续表 听 2NH3(g)△H=-92.2kJ·mol-1△S= 外部条件 工业合成氨的适宜条件 一198.2J·mol1·K-1,下列说法不正确的是 温度 适宜温度(700K左右) 笔 催化剂 使用铁做催化剂 A.合成氨反应是放热反应 B.合成氨反应是嫡减小的反应 N2和H2的物质的量之比为1：2.8 C.合成氨反应在任何条件下都可正向自发 浓度 的投料比，氨及时从混合气中分离 进行 出去 D.降低温度、增大压强都有利于平衡向生成氨 的方向移动 2.化工生产适宜条件选择的一般原则 条件 原则 活动二合成氨生产的适宜条件 从化学反应速 >新知导学 既不能过快，又不能太慢 率分析 合成氨工业的发展历程是人类工业革命的重 要篇章之一，它不仅极大地推动了化学工业的进 从化学反应限 既要注意外界条件对速率和平 步，也为全球的农业生产提供了强有力的支持。 衡影响的一致性，又要注意二者 度分析 从最初的实验室研究，到今天的现代化大规模生 影响的矛盾性 产，合成氨工业经历了漫长而精彩的演变过程。 增加易得廉价原料，提高难得高 今天，合成氨工业已经成为全球化学工业的 从原料的利用 重要组成部分。它不仅为农业生产提供了大量的 率分析 价原料的利用率，从而降低生产 成本 氮肥，也为其他工业领域提供了重要的原料。 从实际生产能 [问题探究] 如设备承受高温、高压能力等 力分析 1.目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体 从催化剂的使注意温度对催化剂的活性的 的多成分催化剂，又称铁触媒。催化剂对平衡转 用活性分析 限制 化率无影响，在合成氨工业中还要使用催化剂的 3.合成氨的生产流程 原因是 生产流程：造气→净化除杂→压缩→合成→冷 却分离→循环压缩。 压缩机 N2+H2 热交换 N2+H 0 加压 2.研究表明，氮气和氢气通过吸附在催化剂表面 净化 10-30MPa 发生一系列反应生成氨，N2的吸附分解反应活化 N2+H,NH+N2 +H2 能高，速率慢，是合成氨反应的决速步，实际生产 铁触媒 冷却 400-500℃1 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： 液态NH NH+N2+H2 新知应用 1.正误判断 D新知生成 (1)在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的 1.实际生产中合成氨的适宜条件 N2越多越好。 () 外部条件 工业合成氨的适宜条件 (2)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中： 根据反应器可使用的钢材质量及综合 分离出去，可提高原料的利用率。 () 指标来选择压强，大致分为低压(1× 压强 (3)合成氨反应选择在700K左右进行的重要 10Pa)、中压(2×10~3×10Pa)和 原因是催化剂在700K左右时的活性最大。 高压(8.5×10~1×108Pa)三种类型 () 6510 鲁科版化学选择性必修1 听 (4)在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，都 C.工业合成氨是△H<0、△S<0的反应，在任 能缩短达到平衡状态所用的时间，都对化学平 何温度下都可自发进行 衡有影响。 ) D.在合成氨中，为增加H2的转化率，充入的 记 (5)温度越高，速率越快，生产效益越好。( ) N2越多越好 2.(2024·河北邢台五岳联盟高二月考)工业上用 2.如图为工业合成氨的流程图，下列有关说法不 氮气和氢气合成氨：N,(g)十3H,(g) 催化剂 正确的是 ( ) 高温、高压 ③催化 2NH(g)。从反应速率和化学平衡两方面看， N21 ①干燥N2、H ②加压 反应 ④液化 液态 (2×10 合成氨的适宜条件一般为压强：10~30MPa, H 净化 (500℃ Pa) 分离 NH 催化剂) 温度：700K左右，催化剂：铁触媒。下列有关 工业合成氨的叙述错误的是 () ⑤N,和H,再循环 A.在工业合成氨中，N2、H2的循环利用可降低 A.步骤①中“净化”可以防止催化剂“中毒” 成本 B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率， B.使用铁触媒，可使氮气和氢气混合气体之间 又可以加快反应速率 的反应在较低温度下取得较快的反应速率 C.步骤③④⑤均有利于提高原料的平衡转 C.上述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓 化率 度、压强等因素的影响 D.液态NH3除可生产化肥外，还可作制冷剂 D.工业生产中，合成氨采用的压强越高，越有 3.N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)△H<0,向容 利于提高经济效益 器中通入1molN2和3molH2,当反应达到平 [归纳总结] 衡时，下列措施能提高N2转化率的是() 工业生产中选择适宜生产条件的思路 ①降低温度 对于某一特定的实际反应，选取适宜的反应条件 ②维持温度、容积不变，按照物质的量之比为 的基本思路如下： 1:3再通入一定量的N2和H2 (1)分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气 ③增加NH?的物质的量 体系数的变化、焓变三个角度分析。 ④维持恒压条件，通入一定量惰性气体 (2)对于可逆反应，根据反应特点具体分析反应条 A.①④ B.①② 件对速率和平衡的影响。 C.②③ D.③④ 课堂小结 4.(2024·湖北武汉华中师大一附中高二期中)工 业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。各 合成氨反应的限度 步反应的能量变化如图所示，其中吸附在催化 降低温度、增大压强有利于平衡向 选择 剂表面上的粒子用“*”标注。下列说法正确的 工 合成 业 生成氨方向移动 () 氨生 选项有 升高温度、增大压强、选择合适催 产的 成 TSI 化剂有利于提高化学反应的速率 适宜 条件 号H↓45 合成氨反应的速率 71 46 盟 TS4-150 NH. 2+30s23■ 课堂达标 NH+H NH'+ N+3H'2H 1.(2024·山东实验中学高二上期中)下列说法中 反应过程 正确的是 ①N2(g)+3H2(g)==2NH3(g)的△H=+92 A.合成氨反应选择在400~500℃进行的重要 kJ·mol 原因是催化剂在500℃左右时的活性最大 ②相同温度下，恒压比恒容的平衡转化率大 B.在工业生产条件优化时，只考虑经济性就 ③合成氨反应为嫡减小的反应 行，不用考虑环保 ④“脱附”过程是放热过程 166 化学反应条件的优化一工业合成氨学案14 ⑤历程包含4个基元反应 Ⅱ.计算机模拟实验，向2L恒温恒容密闭容器 听 ⑥通过液化分离NH?,促进反应正向进行，增 中充入4molN2(g)和4molH2(g),发生合成 大平衡常数 氨反应，其反应过程和能量变化如图2所示，图 ⑦若N2的物质的量分数为50%且不再变化不 中M、N均为中间产物，10min时反应达到平 记 能作为平衡判据，则投人量n(N2):n(H2)= 衡，测得NH3的物质的量为1.6mol。 1:1 能量 A.4个B.5个C.6个 D.7个 5.(2025·安徽十校联盟高二开学摸底)针对氨合 成及其应用是科学家研究的热门话题，回答下 N(g) 列相关问题： +3H2(g 2NΠ，(g) I.德国化学家哈伯是最早确立了氨的合成并 反应过程 应用于化工生产，其化工生产流程如图1所示： 图2 (2)该反应经过三步反应完成，步骤1为合成 N2、H2 玉缩村 余杂 分 混合气体 液氨储槽 M;步骤2为合成N,步骤3为合成氨，属于吸 器 热反应的是步骤 (填序号)。 循环压缩机 (3)下列说法中能够判断“N2(g)十3H2(g)—一 2NH(g)”反应达到平衡状态的是 (填 图1 字母)。 (1)下列说法正确的是 (填字母)。 a.混合气体的密度恒定不变 A.NH3属于弱电解质，水溶液具有弱酸性 b.混合气体的压强恒定不变 B.通过“压缩机”有利于加快反应速率 c.N2的体积分数恒定不变 C.“循环压缩机”能降低生产成本，提高原料转 d.N2与H2的物质的量之比恒定不变 化率 D.反应最初有极性键、非极性键的断裂与生成 e.NH?的浓度恒定不变 E.通过“分离器”将液氨分离，有助于提高原料 (4)10min时，c(N2)= mol·L-1;0~ 转化率 10min内，v(H2)= molL1·minl。 课后反思 6710