2.4 工业合成氨（题型专练）化学沪科版选择性必修1

第四节 工业合成氨（题型突破·举一反三） 题型01 合成氨反应的特点 题型02 反应条件对合成氨含量的影响 题型03 合成氨适宜生产条件的选择 题型04 工业合成氨的生产步骤 题型05 化学调控在化工生产中的应用 ▌题型01 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。 （1）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 （2）可逆性：反应为可逆反应。 （3）体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是放热反应。 【典例1-1】合成氨反应过程中下列说法正确的是 A．氢气的含量保持不变说明反应到达平衡状态 B．使用过量可以将完全转化为 C．工业生产时，压强越大越好 D．达到平衡状态时，正、逆反应速率均等于0 【答案A 【解析】A．工业合成氨为可逆反应，反应过程中氢气被消耗，当达到平衡状态时，氢气的含量保持不变，故可通过氢气的含量不变判断反应达到平衡状态，A正确;B．工业合成氨为可逆反应，不可完全转化为，B错误;C．工业生产时，增大压强有利于反应向正向进行，但压强越大对设备的要求越高，C错误;D．平衡状态是动态平衡，正反应速率等于逆反应速率且不等于0，D错误;故选A。 【变式1-1】在一恒容绝热的密闭容器中进行合成氨反应，下列有关混合气体的物理量不再发生变化时，不能说明反应达到平衡状态的是_________（不定项）。 A．压强 B．密度 C．温度 D．平均相对分子质量 【答案】B 【解析】A．该反应前后气体分子数改变，且在绝热恒容容器中温度也会改变，因此压强是变量，压强不变说明达到平衡； B．容器体积恒定，气体总质量守恒，气体密度始终不变，不能说明达到平衡； C．该反应放热，绝热容器中体系温度会随反应进行而升高，温度不变说明达到平衡； D．气体总质量不变，但总物质的量在反应过程中改变，平均相对分子质量是变量，不变时说明达到平衡。题目要求选“不能说明”的； 故选B。 【变式1-2】关于合成氨反应的说法正确的是 A．该反应为放热反应，降低温度可以提高化学反应速率 B．使用合适的催化剂可加快反应的速率 C．反应在一定条件下达到化学平衡时，H2可100%转化 D．增大反应物的浓度，反应速率减慢 【答案】B 【解析】A．ΔH<0，为放热反应，升高温度可以提高化学反应速率，降低温度使正向移动，故A错误;B．催化剂用于加快反应的速率，故B正确;C．反应可逆，H2不可能100%转化，故C错误;D．增大反应物的浓度，反应速率增加，故D错误;故答案为B。 【变式1-3】1913年，Haber-Bosch发明的催化合成氨技术实现了工业化生产： 1．分析工业合成氨选择20~50MPa的原因__________。 2．关于该反应的与判断正确的是__________。 A．ΔH与均大于0 B．ΔH与均小于0 C．ΔH大于0，小于0 D．ΔH小于0，大于0 3．一定温度下，将与以体积比1：3置于恒压密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是__________。(不定项) A． B．混合气体密度保持不变 C．和的体积比保持不变 D．混合气体的平均相对分子质量保持不变 4．实验室利用如下图所示三个初始容积相同的容器①、②、③模拟合成氨，若起始温度相同，分别向三个容器中充入3mol和1mol一定条件下反应，达到平衡时各容器中的物质的量百分含量由大到小的顺序为__________。 ①外有隔热套    ②    ③活塞可移动(不考虑活塞质量和摩擦系数) A．①>②>③ B．③>①>② C．②>③>① D．③>②>① 【答案】1．增大压强，既能加快反应速率，又能使平衡正向移动以提高氨的产率，但压强过大会显著增加设备制造成本和动力消耗，综合考虑实际选择20~50MPa 12．B 3．BD 4．D 【解析】1．合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强，既能加快反应速率，又能使平衡正向移动，有利于提高氨的产率，但压强过大会显著增加设备制造成本和动力消耗，综合经济效益考虑实际生产时选择20~50MPa； 2．合成氨反应是气体体积减小的放热反应，所以反应的焓变、熵变均小于0，故选B； 3．A．不能说明正逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，A错误； B．由质量守恒定律可知，反应前后气体的质量相等，合成氨反应是气体体积减小的反应，恒压条件下混合气体密度增大，则混合气体密度保持不变说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，B正确； C．由方程式可知，反应中氮气和氢气的体积比始终为1：3，则氮气和氢气的体积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，C错误； D．由质量守恒定律可知，反应前后气体的质量相等，合成氨反应是气体体积减小的反应，反应中混合气体的平均相对分子质量增大，则混合气体的平均相对分子质量保持不变说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，D正确； 故选BD； 4．合成氨反应是气体体积减小的放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的物质的量百分含量减小，则与装置②相比，绝热装置①中氨气的物质的量百分含量小于②中；增大压强，平衡向正反应方向移动，氨气的物质的量百分含量增大，则与②相比，恒压装置③中氨气的物质的量百分含量大于②中，所以氨气的物质的量百分含量由大到小的顺序为③>②>①，故选D。 ▌题型02 反应条件对合成氨含量的影响 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。 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 【典例2-1】若改变某一条件使合成氨的反应速率加快，下列解释正确的是_________（不定项）。 A．升高温度，使单位体积内活化分子百分数增加 B．增加反应物的浓度，使单位体积内活化分子百分数增加 C．使用催化剂，能降低反应活化能，使单位体积内活化分子数增加 D．增大压强，能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子数增加 【答案】AC 【解析】 155．A．升高温度能增加活化分子的百分数，从而加快反应速率，A正确； B．增加反应物浓度只能增加单位体积内活化分子的总数，不能增加活化分子百分数，B错误； C．催化剂能降低反应的活化能，使更多普通分子变成活化分子，增加了单位体积内活化分子百分数和活化分子数，C正确； D．增大压强不能降低反应的活化能，D错误； 故选AC。 【变式2-1】有关合成氨工业中，下列叙述不正确的是 A．使用高效率的催化剂，可提高单位时间内NH3产率 B．增大反应体系的压强，反应速率不一定增大 C．该反应为可逆反应，当有3mol电子转移时，生成1molNH3 D．在t1、t2时刻，NH3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1~t2内，NH3(g)生成的平均反应速率为 【答案】D 【解析】A．使用高效率的催化剂，能加快反应速率，可提高单位时间内NH3产率，正确;B．增大反应体系的压强，反应速率不一定增大，例如恒容条件下充入不反应的氩气，反应速率不变，正确;C．该反应为可逆反应，反应中氮化合价由0变为-3，，则当有3mol电子转移时，生成1molNH3，正确;D．在t1、t2时刻，NH3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1~t2内，NH3(g)生成的平均反应速率为，错误;故选D。 【变式2-2】20世纪初，德国化学家哈伯首次用锇作催化剂在、550℃的条件下以和为原料合成了：。2021年11月，我国报道了新的合成氨催化剂设计策略，该技术可实现温和条件下的氨催化合成。对于反应，下列说法正确的是 A．上述反应 B．催化剂能加快反应速率，降低 C．增大压强，活化分子百分数增多，反应速率加快 D．若反应放出92.4 kJ热量，则过程中有3 mol 被氧化 【答案】D 【解析】A．反应中气体物质的量减少，系统混乱度降低，ΔS<0，A错误;B．催化剂不影响ΔH，仅改变反应速率，B错误;C．增大压强使单位体积内活化分子数增加，但活化分子百分数不变，C错误;D．放出92.4kJ热量对应生成2mol NH3，消耗3mol H2，H2作为还原剂被氧化，D正确;故答案为D。 【变式2-3】合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1，据此回答以下问题： 1．下列叙述中正确的是_____。 A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 B．将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 C．升高温度可以加快反应速率，所以工业生产中尽可能提高温度 D．增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 2．根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡常数越_____。 3．某温度下，若把10molN2与30molH2置于容积为10L的恒容密闭容器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中NH3的体积分数为20%，则该温度下反应的平衡常数K=_____(可用分数表示)。 4．能说明该反应达到化学平衡状态的是_____(不定项)。 A．容器内气体的密度保持不变 B．容器内压强保持不变 C．v正(N2)=2v逆(NH3) D．混合气体中c(NH3)不变 5．对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是_____(不定项)。 6．相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1molN2和3molH2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中NH3的体积分数为a，放出热量Q1kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量Q2kJ。则：a_____b(填“>”“=”或“<”，下同)，Q1_____92.4。 【答案】1．D 2．小 3．1/12 4．BD 5．ac 6． < < 【解析】1．A．催化剂只能提高反应速率，不能使平衡移动，故A错误； B．不断把生成的NH3从体系中分离，既可减小逆反应速率，又可使平衡进一步向生成 NH3方向移动，故B错误； C．升温虽能加快反应速率，但该反应为放热反应，温度越高平衡越不利于生成NH3，所以工业生产中尽选择适宜温度，故C错误； D．增大压强有利于平衡向体积（气体物质的量）较小的一方移动，即向生成NH3一侧移动，故D正确； 故选D； 2．该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，其平衡常数减小，故答案为：小； 3．设氮气的物质的量减少xmol，可得三段式 则，解得，，故答案为：1/12； 4．A．恒容密闭体系中总质量/体积并未改变，密度从头到尾都一样，不能说明是否已达平衡，故A错误； B．恒容体系中，压强是变量，压强将不再发生变化，可作为平衡判据，故B正确； C．v正(N2)=2v逆(NH3)与化学计量数并不一致，不符合正逆反应速率相等的本质，不能说明反应达平衡状态，故C错误； D．NH3浓度保持不变表明反应达到化学平衡状态，故D正确； 故选BD； 5．a．该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡时NH3或体积分数越低，a正确； b．图示N2、H2浓度随时间递减、NH3递增并趋于平衡，但达平衡时NH3、N2、H2的浓度不相等，b错误； c．使用催化剂与未使用催化剂最终平衡产率相同，但有催化剂时反应速率更快，先达平衡，c正确； 故选ac； 6．在同温度下，恒容(A)与恒压(B)两密闭容器中都起始充入 1 mol N2 和 3 mol H2。由于该反应为气体体积减少、放热反应；恒压体系(B)可通过缩小体积，相当于升高压强，更有利于平衡向生成NH3方向移动，故平衡时NH3的体积分数 b 大于恒容体系(A)中的 a；由于可逆反应不可能 100% 转化，放出的热量均小于理想完全反应所放出的 92.4 kJ，故  Q1< 92.4，故答案为：<；<。 ▌题型03 合成氨适宜生产条件的选择 工业合成氨的适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 【典例3-1】德国化学家哈伯在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是 A．增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率 B．升高温度既可以加快反应速率，又可以提高平衡转化率 C．冷却过程中采用热交换有助于节约能源 D．原料循环使用可提高其利用率 【答案】B 【分析】合成氨的热化学化学方程式为。 【解析】A．增大压强可以加快合成氨的反应速率，平衡正向移动，可以提高原料转化率，A正确； B．合成氨反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低平衡转化率，B错误； C．冷却过程中采用热交换，有助于节约能源，C正确； D．原料循环使用，充分利用原料，可提高其利用率，D正确； 故答案为：B。 【点睛】根据勒夏特列原理：①升高温度时，反应向着吸热方向移动；降低温度时，反应向着放热方向移动；②增大压强时，反应向着系数变小的方向移动；减小压强时，反应向着系数变大的方向移动。 【典例3-2】 1．下图表示合成氨反应在某段时间t0∼t5的反应速率与反应过程的关系图，则t2时改变的单一条件是_________。 2．下图为使用铁催化剂和未使用催化剂合成氨的部分反应历程。 （1）上图反应历程中，表示使用了铁催化剂的是________线。 A．实        B．虚 （2）上图反应历程中，控速步骤的反应为_________。 A． B． C． D． （3）目前我国的合成氨工业，反应时压强通常控制在________MPa，选择该压强的原因是：________________________________________________________________________________。 （4）从化学平衡和原料成本角度，氢气和氮气的物质的量之比应为3∶1，但实际生产中维持氢氮比为_________，选择该比例的原因是：_______________________________________________________。 【答案】1．升高温度 2．（1）A （2）A （3）10~30 增大压强既能加快反应速率，又能使平衡正向移动，提高氨的产率；但压强过大对设备材质要求高、动力消耗大，会增加生产成本 （4）2.8（或略小于3） 适当增大氮气的浓度，促使平衡正向移动，从而提高相对昂贵的氢气的转化率，降低生产成本 【解析】1．由图可知，在 时刻，正、逆反应速率均瞬间增大，且逆反应速率增大的幅度大于正反应速率，说明平衡逆向移动。对于放热且气体分子数减小的反应，只有升高温度符合该特征（若增大压强，正反应速率应大于逆反应速率）。 2．（1）催化剂能够改变反应历程，降低反应的活化能。观察图2可知，实线对应的各个反应步骤的最高能垒（活化能）均低于虚线，因此实线表示使用了铁催化剂。 （2）在多步反应中，活化能最大（即图中峰顶与反应物/中间体能量差值最大）的一步反应速率最慢，决定了整个反应的速率，称为控速步骤。由图2可知， 这一步的能垒最高，活化能最大，故选A。 （3）工业合成氨通常将压强控制在 10~30 MPa。从动力学和热力学角度看，增大压强既能加快反应速率，又能使平衡向正反应方向移动，提高氨的产率；但从实际工程角度看，压强过大对反应器等设备的材质强度要求极高，且压缩气体需要消耗大量电能，导致生产成本大幅增加。综合考虑经济效益，选择 10~30 MPa。 （4）工业生产中，为了提高较昂贵原料的转化率，通常会使相对廉价易得的原料适当过量。合成氨中氮气来自空气，成本较低，而氢气制备成本较高。因此，实际生产中维持氢氮比约为 2.8（或略小于3）；通过适当增加氮气的浓度来促使平衡正向移动，从而提高氢气的转化率，降低整体生产成本； 【变式3-1】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%，所以生产氨的工厂效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，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℃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是20～50 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 【答案】B 【解析】A、从合成塔中出来的混合气体还要循环使用，连续化生产，这样生产氨的工厂效率并不低，故A错误；B、抽出液化氨气，合成氨平衡正向移动，提高原料转化率，且N2、H2循环使用，氨的生产率很高，故B正确；C、合成氨是放热反应，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，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C错误；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B。 【变式3-2】合成氨工业的生产条件一般为700K、、铁做催化剂，原料气体中，下列分析错误的是 A．不采用常温是基于反应速率的考虑 B．不使用更高压强是基于对生产条件、设备要求考虑 C．使用催化剂是基于反应速率、平衡转化率考虑 D．而不是1：3，是为了提高氮气在催化剂活性中心的占有份额 【答案】C 【解析】A．不采用常温是因为合成氨反应在常温下速率极慢，提高温度可显著加快反应速率，尽管升高温度不利于平衡正向移动(放热反应)，但速率因素是主要考虑，A正确；B．更高压强虽有利于平衡正向移动(气体分子数减少)，但过高压强对设备材料、密封性和成本要求极高，工业上选择适中压强是基于实际生产条件和经济效益的权衡，B正确；C．催化剂仅能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，但不能改变平衡常数和平衡转化率(因催化剂同等降低正逆反应活化能)。选项中“基于平衡转化率考虑”的说法错误，C错误；D．实际比例 而非化学计量比 1：3，是因为氮气在催化剂表面的解离吸附是速率控制步骤，适当提高氮气相对份额(氢气略少)可增加其在催化剂活性中心的吸附概率，从而优化反应速率，D正确；故答案为C。 【变式3-3】工业合成氨反应机理的研究与催化剂的改进一直是科研热点。其反应的原理为：   1．为加快合成氨的反应速率，且单位体积内活化分子百分数增加，改变的条件为________。 A．降低温度 B．增加反应物的浓度 C．使用催化剂 D．增大压强 2．如图是工业合成氨反应的速率-时间图像，在时刻改变某一条件，到时重新达到平衡，判断时刻可能改变条件是________。 A．使用催化剂 B．升高温度 C．增大压强 D．减小N2浓度 3．符合合成氨工业生产实际的是________。 A．增大N2的浓度有利于提高其平衡转化率 B．温度选择500℃有利于平衡正移 C．催化剂能提高反应物的平衡转化率 D．将氨气液化分离会使逆反应速率减慢 4．恒容、一定温度下条件下，能说明合成氨反应达到平衡状态的是________。 A．N2与H2不再转化为NH3 B． C．混合气体密度保持不变 D．混合气体的平均摩尔质量不变 【答案】1．C 2．B 3．D 4．D 【解析】1．A．降低温度，会减小活化分子的数目和百分数，反应速率变慢，A错误； B．增加反应物的浓度，单位体积内活化分子的数目增加，但活化分子的百分数不变，B错误； C．使用催化剂，可以降低反应活化能，有利于增大活化分子的数目和百分数，使得有效碰撞的概率增大，反应速率加快，C正确； D．增大压强，单位体积内活化分子的数目增加，但反应的活化能不变，D错误； 故选C； 2．合成氨反应为，由图象可知t1时刻改变外界条件，正逆反应速率都增大，且逆反应速率大于正反应速率，平衡逆向移动； A．催化剂同等程度改变反应速率，平衡不移动，A错误； B．正反应放热，升高温度，正逆反应速率都增大，平衡逆向移动，B正确； C．增大压强，平衡正向移动，正反应速率大于逆反应速率，C错误； D．减小 N2浓度，平衡逆向移动，但正逆反应速率都减小，D错误。 故选B； 3．工业合成氨是用氮气、氢气在催化剂作用下高温高压反应生成氨气，反应为气体体积减小的放热反应； A．增大N2的浓度平衡正向移动，但N2的转化率降低，A错误； B．工业合成氨是放热反应，温度选择500℃有利于保证催化剂活性，提高反应速率，但并不利于平衡正向移动，不符合氨工业生产实际，B错误； C．催化剂不能提高反应物的平衡转化率，C错误； D．将NH3液化分离，就相当于减小生成物的浓度，化学平衡向正向移动，反应物浓度降低，正反应速率降低，符合生产实际，D正确； 故选D； 4．A．合成氨反应是可逆反应，反应达到平衡时，正、逆反应速率，氮气和氢气依然转化为氨气，A错误； B．根据化学反应速率之比等于化学计量数之比，反应达到平衡时，，而不是B 错误； C．反应在恒容密闭容器中进行，混合气体的质量和体积都不变，密度始终保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故C 错误； D．反应前后气体分子数改变，混合气体的物质的量改变，质量不变，所以平均摩尔质量保持不变时，说明反应达到平衡状态，故D 正确； 故选D； ▌题型04 工业合成氨的生产步骤 【典例4-1】工业合成氨不仅解决了粮食问题，还为工业、国防和能源领域提供了关键支撑。合成氨的流程图如下，已知  ，下列说法正确的是 A．合成塔中充入的越多，的转化率越大 B．步骤②中“加压”不仅可以提高原料的转化率，还加快反应速率，所以生产中压强越大越好 C．实验室模拟合成氨气，保持温度、压强不变通入惰性气体，平衡会发生移动，氨气的产率降低 D．步骤④⑤⑥均有利于提高原料的平衡转化率 【答案】C 【分析】合成氨是放热、气体分子数减少的反应。步骤①干燥净化：除去杂质，防止催化剂中毒；步骤②加压：增大压强，平衡正向移动，提高氨的产率；步骤③热交换：利用反应放热预热原料气，节约能源；步骤④铁触媒（400-500℃）：催化剂加快反应速率，此温度是催化剂活性最佳温度（虽温度升高平衡逆向，但速率优先）；步骤⑤液化分离：分离出液态，使平衡正向移动，提高原料利用率；步骤⑥循环：未反应的循环利用，提高原料转化率。 【解析】A．增大的浓度，平衡正向移动，的转化率提高，但自身的转化率会降低，A错误；B．加压使平衡正向移动，提高原料转化率，同时加快反应速率，但压强越大，对设备的要求越高、能耗越大，生产成本显著上升，因此工业上选择10MPa~30MPa的适宜压强，并非压强越大越好，B错误；C．恒温恒压下通入惰性气体，容器体积会增大，相当于体系减压，平衡向气体分子数增多的方向（逆反应方向）移动，的产率降低，C正确；D．步骤④中使用催化剂不影响平衡转化率；步骤⑤中液化分离出，降低生成物浓度，平衡正向移动，提高原料转化率；步骤⑥中未反应的、循环利用，可提高原料总利用率，D错误；故选C。 【变式4-1】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 【分析】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，据此分析解题。 【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。 【变式4-2】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。工业合成氨生产示意图如图所示。 （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．合成氨反应中，反应物的总键能小于产物的总键能 C．合成氨厂一般采用的压强为，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）循环利用的Y是氮气和氢气，目的是 。 （3）在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施有 (填编号)。 ①使用催化剂     ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量      ③及时分离产生的NH3 ④升高温度      ⑤恒温恒容，充入惰性气体Ar使压强增大 （4）氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值。 反应 大气固氮 N2(g)＋O2(g) 2NO(g) 工业固氮 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 温度/℃ 27 2000 25 400 450 K 0.1 0.507 0.152 分析数据可知： ①在400℃下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。 ②人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是 。 【答案】（1）AB （2）提高氮气和氢气转化率 （3）② （4）< 大气固氮为吸热反应，温度高达2000℃时，K值仍然很小，正向进行的程度很小，转化率很低，不适合大规模生产 【解析】（1）A项，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发进行，该反应ΔH<0，ΔS<0，则在低温或常温时自发进行，故A正确；B项，合成氨为放热反应，说明反应物断键吸收能量小于产物成键放出能量，故B正确；C项，合成氨厂一般采用的压强为10MPa ~30MPa，因为高压利于氨的合成，且能提高反应速率，与催化剂活性无关，故C错误；D项，N2的量越多，H2的转化率越大，当氢气转化至一定程度，多余的氮气对反应无促进作用，故D错误；故选AB； （2）合成氨的反应为可逆反应，氮气和氢气不能完全转化，循环使用可提高氮气和氢气转化率； （3）①使用催化剂，只能提高反应速率，不能提高产率； ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量，反应物浓度增大，提高反应速率，压强增大，提高产率；③及时分离产生的NH3，可提高反应物转化率，但不能提升反应速率；④该反应为放热反应，升高温度，可提高反应速率，但平衡逆向移动，不能提高产率；⑤恒温恒容，充入惰性气体Ar使压强增大，反应物浓度不变，速率不变；所以要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施②； （4）①在400℃下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时浓度商，说明平衡逆向移动，所以v正<v逆；②根据表中数据可知，温度升高到2000℃，K=0.1，转化率较低，不适合大规模生产。 【变式4-3】合成氨工厂以“水煤气”和N2为原料，采用两段间接换热式绝热反应器，由进气口充入一定量含CO、H2、H2O、N2的混合气体，在反应器A进行合成氨，反应器B中主要发生的反应②，装置如图所示。 1．图中a处气体的温度________300℃。 A．＞ B．＜ C．= D．不能确定 2．从能量转化、化学平衡的角度说明上述装置中热交换器的作用。 ____________________________________________________________________________________。 3．一定的温度和压强下，在10 L的恒容密闭容器中，通入物质的量之比1：3的N2和H2，一段时间后，测得，NH3的物质的量分数为0.20，已知该温度下的合成氨平衡常数。通过计算说明此时合成氨是否已达到化学平衡状态？ ____________________________________________________________________________________。 【答案】1．A 2．从能量转化角度，热交换器可以将反应放出的热量传递给需要加热的反应物，实现能量的循环利用，提高能源利用率；从化学平衡角度，降低进入反应器的反应物温度，使反应②正向进行，提高H2的产率。 3．合成氨反应方程式：，， 设初始N2为xmol，H2为3xmol；生成0.8molNH3，消耗N2 0.4mol、H21.2mol。 总物质的量：， 由，解得x=1.2。 各物质浓度：                计算浓度商： 已知K=0.152，Qc>K，反应逆向进行，未达到化学平衡状态比平衡常数判断反应所处阶段 【解析】1．反应器 B 中发生反应②：，该反应放热；进入反应器 B 的气体初始温度为，反应放热使体系温度升高，因此 a 处回流气体温度大于；故选A； 2．能量转化角度：合成氨反应放热，反应器 A 出口高温气体携带大量余热，热交换器回收该热量，预热进入反应器 A 的低温原料气，充分利用反应余热，减少外部供热，节约能源、降低生产成本。 化学平衡角度：① 预热原料至催化剂活性适宜温度，加快合成氨反应速率；② 高温原料气换热降温后送入反应器 B，反应②为放热反应，低温利于平衡正向移动，更彻底除去原料中的CO，提高H2利用率；同时降低末端出口温度，便于后续分离NH3； 3．合成氨反应方程式：，， 设初始N2为xmol，H2为3xmol；生成0.8molNH3，消耗N2 0.4mol、H21.2mol。 总物质的量：， 由，解得x=1.2。 各物质浓度：                计算浓度商： 已知K=0.152，Qc>K，反应逆向进行，未达到化学平衡状态； ▌题型05 化学调控在化工生产中的应用 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: 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制 【典例5-1】接触法制硫酸，接触室中的反应如下：2SO2（g）＋O2（g）2 SO3（g）　ΔH＜0，SO2的平衡转化率与压强、温度的关系如下表所示： 1.01×102 5.05×102 1.01×103 1.01×104 400 99.2 99.6 99.7 99.9. 500 93.5 96.9 97.8 99.3 600 73.7 85.8 89.5 96.4 在实际生产中，下列条件最适宜的是 A．温度400℃、压强1.01×104 kPa B．温度500℃、压强1.01×103 kPa C．温度500℃、压强1.01×104 kPa D．温度400℃、压强1.01×102 kPa 【答案】D 【解析】由反应可知，该反应为放热反应，升高温度，向吸热反应方向移动，SO2转化率降低，所以温度选择400℃；分析表中数据可知，增大气体压强，能相应提高SO2的平衡转化率，但提高不多，常压下SO2的平衡转化率已经很高，在实际生产中加压必须增加设备和能量，增大成本，所以压强选择1.01×102 kPa；综上所述，故选D。 【典例5-2】工业上用H2和CO2，在适宜催化剂的作用下生产甲醇，进而生产新型环保燃料：甲醇汽油。 合成甲醇的反应为： 一定温度下，向2 L密闭恒容容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，发生如下反应： 反应Ⅰ（主反应）    K1 反应Ⅱ（副反应）    K2 反应Ⅲ（副反应）    K3 反应均达平衡后，测得数据如下： 物质 CH3OH CH4 CO 物质的量（mol） 1 0.4 0.2 1．则CH3OH的选择性=_______________（CH3OH选择性）。 2．反应Ⅱ的平衡常数_______________（计算结果保留至小数点后第3位）。 不同温度下，若测得上述反应CO2的平衡转化率与甲醇的选择性如下图： 3．试根据图中信息判断，更适合生产甲醇的温度为_________。 A．1000℃ B．800℃ C．600℃ D．400℃ 4．当温度高于800℃，CO2转化率反而增大，主要原因是____________________________________________________________________________________ 。 【答案】1．62.5% 2．7．716 3．C 4．反应Ⅲ为吸热反应，当温度高于800℃时以反应Ⅲ为主，升高温度平衡正向移动，促进了 的转化 【解析】1．平衡时生成的 、、 分别为 1 mol、0.4 mol、0.2 mol。根据碳原子守恒，转化的 总物质的量为 。则 的选择性 。 2．根据各反应方程式，平衡时生成的水的物质的量 。消耗的 的物质的量 ，平衡时 。平衡时 。容器体积为 2 L，各物质的平衡浓度为：，，，。代入反应Ⅱ的平衡常数表达式 。 3．由图2可知，在 600℃ 时，甲醇的选择性达到最高峰值，此时副产物最少，综合效益最好，最适合生产甲醇。 4．反应Ⅰ和Ⅱ均为放热反应，反应Ⅲ为吸热反应。当温度高于 800℃ 时，以反应Ⅲ为主导，升高温度使反应Ⅲ的平衡正向移动程度大于反应Ⅰ、Ⅱ逆向移动的程度，从而促进了 的进一步转化，导致其总转化率增大。 【变式5-1】液态阳光技术，即利用太阳能等可再生能源制氢并与二氧化碳合成甲醇，具有减少碳排放、缓解液体燃料依赖、提供高效储氢等多重优点。利用加氢制备的步骤如下所示： 反应I：   反应II：   反应III：   将和混合通入恒容密闭容器中，在不同催化剂作用下发生反应I和反应II，反应相同的一段时间，不同条件下选择性和产率随温度变化曲线如图所示。 已知：的选择性 1．在上述条件下合成甲醇的最优工业条件是_______。 A．210℃，催化剂a B．230℃，催化剂a C．210℃，催化剂b D．230℃，催化剂b 2．230℃时，能同时提高甲醇产率和甲醇选择性的方法是_______。 A．通入　　　B．减小容器体积　　　C．通入Ar气 3．温度从210℃上升到230℃过程中，甲醇的选择性下降，分析原因_______。 【答案】 1．D 2．B 3．温度升高，吸热的反应I正向进行，更多转化为CO，放热的反应II逆向进行，不利于甲醇生成，因此甲醇选择性降低 【解析】1．由图可知，相同温度下，催化剂b的甲醇选择性和产率都高于催化剂a；时甲醇产率远高于，因此最优条件为、催化剂b。 2．减小容器体积，体系压强增大，平衡向气体分子数减少的方向移动，促进反应II（生成甲醇）和总反应III正向移动，同时提高甲醇产率和选择性；通入会促进反应I正向，CO增多，降低选择性；恒容通入Ar不改变各物质分压，对平衡无影响，因此选B。 3．温度升高，吸热的反应I正向进行，更多转化为CO，放热的反应II逆向进行，不利于甲醇生成，因此甲醇选择性降低。 【变式5-2】工业上以黄铁矿(主要成分)为原料制备硫酸，要经煅烧、氧化、吸收三个阶段。 1．黄铁矿煅烧时需粉碎，其目的是___________________________。 2．催化氧化制时，控制温度在450℃左右，这是因为__________。(不定项) A．催化剂活性强，反应速率快 B．转化率大 C．单位时间内，的产量高 D．产生的污染气体少 3．催化氧化设备内构造如图1所示，其中1-4表示催化剂层。图2所示进程中表示热交换过程的是__________。(选填选项) A．    B．    C．    D． E．    F．    G． 4．使用热交换器的目的是______________________________。 将转化为是工业上生产硫酸的关键步骤，发生的反应为  ，与在作催化剂的条件下的反应历程如下： ①； ②…… 5．写出第②步反应的化学方程式：________________________________________。 6．能加快反应速率的根本原因是________________________________________。 【答案】1．增大固体与气体的接触面积，加快反应速率，使反应更加充分 2．AC 3．BDF 4．利用反应放出的热量预热原料气，同时降低反应后气体的温度，防止温度过高导致平衡逆向移动，并提高热能利用率 5． 6．改变了反应路径，降低了反应的活化能 【解析】1．增大固体与气体的接触面积，加快反应速率，使反应更加充分； 2．A．催化氧化使用的催化剂的活性在450℃左右达到峰值，此温度下催化剂活性最强，能大幅加快反应速率，A正确； B．的催化氧化是放热反应，根据勒夏特列原理，温度越低平衡正向移动程度越大，的平衡转化率越高。450℃属于较高温度，反而会抑制平衡正向移动，降低的转化率，B错误； C．虽然450℃下平衡转化率不是最高，但该温度下催化剂活性强、反应速率快，能在单位时间内生成更多，提升单位时间的产物产量，符合工业生产的实际需求，C正确； D．属于污染气体，其排放量主要由尾气处理工艺、反应的平衡转化程度决定，反应温度控制在450℃不会直接减少污染气体的产生，D错误； 故选AC； 3．A ．：该过程温度升高、转化率同步上升，是原料气进入第一层催化剂层，发生反应放热、体系温度升高的反应过程，不属于热交换，A不符合题意； B．：该过程转化率没有变化，但温度出现明显下降，是第一层反应后的高温气体经过热交换器，将热量传递给冷原料气、自身降温的过程，属于热交换，B符合题意； C． ：温度升高、转化率上升，是气体进入第二层催化剂层继续发生反应的过程，不属于热交换，C不符合题意； D． ：转化率不变、温度下降，是第二层反应后的高温气体经过热交换器降温的过程，属于热交换，D符合题意； E． ：温度升高、转化率上升，是气体进入第三层催化剂层继续反应的过程，不属于热交换，E不符合题意； F． ：转化率不变、温度下降，是第三层反应后的高温气体经过热交换器降温的过程，属于热交换，F符合题意； G． ：温度升高、转化率上升，是气体进入第四层催化剂层发生最终反应的过程，不属于热交换，G不符合题意； 故选BDF； 4．热交换器一方面预热即将进入催化层的冷原料气至反应温度；另一方面带走反应体系产生的多余热量，防止催化剂床层温度过高而导致平衡向左移动，从而提高能量利用效率和产品转化率； 5．已知总反应方程式为，反应历程中的第①步方程式为。根据盖斯定律，将第①步方程式乘以后用总式减去该式，即可得到第②步的反应方程式：； 6．加入催化剂可以改变化学反应历程，降低反应所需克服的活化能，从而增大体系中活化分子的百分数，显著加快反应速率。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第四节 工业合成氨（题型突破·举一反三） 题型01 合成氨反应的特点 题型02 反应条件对合成氨含量的影响 题型03 合成氨适宜生产条件的选择 题型04 工业合成氨的生产步骤 题型05 化学调控在化工生产中的应用 ▌题型01 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。 （1）自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 （2）可逆性：反应为可逆反应。 （3）体积变化(熵变)：ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应。 （4）焓变：ΔH<0，是放热反应。 【典例1-1】合成氨反应过程中下列说法正确的是 A．氢气的含量保持不变说明反应到达平衡状态 B．使用过量可以将完全转化为 C．工业生产时，压强越大越好 D．达到平衡状态时，正、逆反应速率均等于0 【变式1-1】在一恒容绝热的密闭容器中进行合成氨反应，下列有关混合气体的物理量不再发生变化时，不能说明反应达到平衡状态的是_________（不定项）。 A．压强 B．密度 C．温度 D．平均相对分子质量 【变式1-2】关于合成氨反应的说法正确的是 A．该反应为放热反应，降低温度可以提高化学反应速率 B．使用合适的催化剂可加快反应的速率 C．反应在一定条件下达到化学平衡时，H2可100%转化 D．增大反应物的浓度，反应速率减慢 【变式1-3】1913年，Haber-Bosch发明的催化合成氨技术实现了工业化生产： 1．分析工业合成氨选择20~50MPa的原因__________。 2．关于该反应的与判断正确的是__________。 A．ΔH与均大于0 B．ΔH与均小于0 C．ΔH大于0，小于0 D．ΔH小于0，大于0 3．一定温度下，将与以体积比1：3置于恒压密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是__________。(不定项) A． B．混合气体密度保持不变 C．和的体积比保持不变 D．混合气体的平均相对分子质量保持不变 4．实验室利用如下图所示三个初始容积相同的容器①、②、③模拟合成氨，若起始温度相同，分别向三个容器中充入3mol和1mol一定条件下反应，达到平衡时各容器中的物质的量百分含量由大到小的顺序为__________。 ①外有隔热套    ②    ③活塞可移动(不考虑活塞质量和摩擦系数) A．①>②>③ B．③>①>② C．②>③>① D．③>②>① ▌题型02 反应条件对合成氨含量的影响 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。 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 压强 增大压强 增大压强 温度 升高温度 降低温度 催化剂 使用 无影响 浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 【典例2-1】若改变某一条件使合成氨的反应速率加快，下列解释正确的是_________（不定项）。 A．升高温度，使单位体积内活化分子百分数增加 B．增加反应物的浓度，使单位体积内活化分子百分数增加 C．使用催化剂，能降低反应活化能，使单位体积内活化分子数增加 D．增大压强，能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子数增加 【变式2-1】有关合成氨工业中，下列叙述不正确的是 A．使用高效率的催化剂，可提高单位时间内NH3产率 B．增大反应体系的压强，反应速率不一定增大 C．该反应为可逆反应，当有3mol电子转移时，生成1molNH3 D．在t1、t2时刻，NH3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1~t2内，NH3(g)生成的平均反应速率为 【变式2-2】20世纪初，德国化学家哈伯首次用锇作催化剂在、550℃的条件下以和为原料合成了：。2021年11月，我国报道了新的合成氨催化剂设计策略，该技术可实现温和条件下的氨催化合成。对于反应，下列说法正确的是 A．上述反应 B．催化剂能加快反应速率，降低 C．增大压强，活化分子百分数增多，反应速率加快 D．若反应放出92.4 kJ热量，则过程中有3 mol 被氧化 【变式2-3】合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。其原理为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1，据此回答以下问题： 1．下列叙述中正确的是_____。 A．铁作催化剂可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 B．将氨从混合气中分离，可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 C．升高温度可以加快反应速率，所以工业生产中尽可能提高温度 D．增大压强可加快反应速率，且有利于平衡向合成氨的方向移动 2．根据温度对化学平衡的影响规律可知，对于该反应，温度越高，其平衡常数越_____。 3．某温度下，若把10molN2与30molH2置于容积为10L的恒容密闭容器内，反应达到平衡状态时，测得混合气体中NH3的体积分数为20%，则该温度下反应的平衡常数K=_____(可用分数表示)。 4．能说明该反应达到化学平衡状态的是_____(不定项)。 A．容器内气体的密度保持不变 B．容器内压强保持不变 C．v正(N2)=2v逆(NH3) D．混合气体中c(NH3)不变 5．对于合成氨反应而言，下列有关图像一定正确的是_____(不定项)。 6．相同温度下，有恒容密闭容器A和恒压密闭容器B，两容器中均充入1molN2和3molH2，此时两容器的容积相等。待反应达到平衡状态，A中NH3的体积分数为a，放出热量Q1kJ；B中NH3的体积分数为b，放出热量Q2kJ。则：a_____b(填“>”“=”或“<”，下同)，Q1_____92.4。 ▌题型03 合成氨适宜生产条件的选择 工业合成氨的适宜条件 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 10～30 MPa 温度 400～500 ℃ 催化剂 使用铁触媒作催化剂 浓度 氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用；及时补充N2和H2 【典例3-1】德国化学家哈伯在合成氨方面的研究促进了人类的发展。合成氨的工业流程如图，下列说法错误的是 A．增大压强既可以加快反应速率，又可以提高原料转化率 B．升高温度既可以加快反应速率，又可以提高平衡转化率 C．冷却过程中采用热交换有助于节约能源 D．原料循环使用可提高其利用率 【典例3-2】 1．下图表示合成氨反应在某段时间t0∼t5的反应速率与反应过程的关系图，则t2时改变的单一条件是_________。 2．下图为使用铁催化剂和未使用催化剂合成氨的部分反应历程。 （1）上图反应历程中，表示使用了铁催化剂的是________线。 A．实        B．虚 （2）上图反应历程中，控速步骤的反应为_________。 A． B． C． D． （3）目前我国的合成氨工业，反应时压强通常控制在________MPa，选择该压强的原因是：________________________________________________________________________________。 （4）从化学平衡和原料成本角度，氢气和氮气的物质的量之比应为3∶1，但实际生产中维持氢氮比为_________，选择该比例的原因是：_______________________________________________________。 【变式3-1】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%，所以生产氨的工厂效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，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℃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是20～50 MPa，因为该压强下铁触媒的活性最大 【变式3-2】合成氨工业的生产条件一般为700K、、铁做催化剂，原料气体中，下列分析错误的是 A．不采用常温是基于反应速率的考虑 B．不使用更高压强是基于对生产条件、设备要求考虑 C．使用催化剂是基于反应速率、平衡转化率考虑 D．而不是1：3，是为了提高氮气在催化剂活性中心的占有份额 【变式3-3】工业合成氨反应机理的研究与催化剂的改进一直是科研热点。其反应的原理为：   1．为加快合成氨的反应速率，且单位体积内活化分子百分数增加，改变的条件为________。 A．降低温度 B．增加反应物的浓度 C．使用催化剂 D．增大压强 2．如图是工业合成氨反应的速率-时间图像，在时刻改变某一条件，到时重新达到平衡，判断时刻可能改变条件是________。 A．使用催化剂 B．升高温度 C．增大压强 D．减小N2浓度 3．符合合成氨工业生产实际的是________。 A．增大N2的浓度有利于提高其平衡转化率 B．温度选择500℃有利于平衡正移 C．催化剂能提高反应物的平衡转化率 D．将氨气液化分离会使逆反应速率减慢 4．恒容、一定温度下条件下，能说明合成氨反应达到平衡状态的是________。 A．N2与H2不再转化为NH3 B． C．混合气体密度保持不变 D．混合气体的平均摩尔质量不变 ▌题型04 工业合成氨的生产步骤 【典例4-1】工业合成氨不仅解决了粮食问题，还为工业、国防和能源领域提供了关键支撑。合成氨的流程图如下，已知  ，下列说法正确的是 A．合成塔中充入的越多，的转化率越大 B．步骤②中“加压”不仅可以提高原料的转化率，还加快反应速率，所以生产中压强越大越好 C．实验室模拟合成氨气，保持温度、压强不变通入惰性气体，平衡会发生移动，氨气的产率降低 D．步骤④⑤⑥均有利于提高原料的平衡转化率 【变式4-1】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 【变式4-2】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。工业合成氨生产示意图如图所示。 （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．合成氨反应中，反应物的总键能小于产物的总键能 C．合成氨厂一般采用的压强为，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）循环利用的Y是氮气和氢气，目的是 。 （3）在合成氨工业中，要使氨的产率增大，同时又能提高反应速率，可采取的措施有 (填编号)。 ①使用催化剂     ②恒温恒容，增大原料气N2和H2充入量      ③及时分离产生的NH3 ④升高温度      ⑤恒温恒容，充入惰性气体Ar使压强增大 （4）氮的固定和氮的循环是几百年来科学家一直研究的课题。下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值。 反应 大气固氮 N2(g)＋O2(g) 2NO(g) 工业固氮 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 温度/℃ 27 2000 25 400 450 K 0.1 0.507 0.152 分析数据可知： ①在400℃下模拟工业固氮，某时刻c(N2)= c(H2)= c(NH3)=1mol·L-1，此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。 ②人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是 。 【变式4-3】合成氨工厂以“水煤气”和N2为原料，采用两段间接换热式绝热反应器，由进气口充入一定量含CO、H2、H2O、N2的混合气体，在反应器A进行合成氨，反应器B中主要发生的反应②，装置如图所示。 1．图中a处气体的温度________300℃。 A．＞ B．＜ C．= D．不能确定 2．从能量转化、化学平衡的角度说明上述装置中热交换器的作用。 ____________________________________________________________________________________。 3．一定的温度和压强下，在10 L的恒容密闭容器中，通入物质的量之比1：3的N2和H2，一段时间后，测得，NH3的物质的量分数为0.20，已知该温度下的合成氨平衡常数。通过计算说明此时合成氨是否已达到化学平衡状态？ ____________________________________________________________________________________。 ▌题型05 化学调控在化工生产中的应用 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: 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学反应限度分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意温度对催化剂的活性的限制 【典例5-1】接触法制硫酸，接触室中的反应如下：2SO2（g）＋O2（g）2 SO3（g）　ΔH＜0，SO2的平衡转化率与压强、温度的关系如下表所示： 1.01×102 5.05×102 1.01×103 1.01×104 400 99.2 99.6 99.7 99.9. 500 93.5 96.9 97.8 99.3 600 73.7 85.8 89.5 96.4 在实际生产中，下列条件最适宜的是 A．温度400℃、压强1.01×104 kPa B．温度500℃、压强1.01×103 kPa C．温度500℃、压强1.01×104 kPa D．温度400℃、压强1.01×102 kPa 【典例5-2】工业上用H2和CO2，在适宜催化剂的作用下生产甲醇，进而生产新型环保燃料：甲醇汽油。 合成甲醇的反应为： 一定温度下，向2 L密闭恒容容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，发生如下反应： 反应Ⅰ（主反应）    K1 反应Ⅱ（副反应）    K2 反应Ⅲ（副反应）    K3 反应均达平衡后，测得数据如下： 物质 CH3OH CH4 CO 物质的量（mol） 1 0.4 0.2 1．则CH3OH的选择性=_______________（CH3OH选择性）。 2．反应Ⅱ的平衡常数_______________（计算结果保留至小数点后第3位）。 不同温度下，若测得上述反应CO2的平衡转化率与甲醇的选择性如下图： 3．试根据图中信息判断，更适合生产甲醇的温度为_________。 A．1000℃ B．800℃ C．600℃ D．400℃ 4．当温度高于800℃，CO2转化率反而增大，主要原因是____________________________________________________________________________________ 。 【变式5-1】液态阳光技术，即利用太阳能等可再生能源制氢并与二氧化碳合成甲醇，具有减少碳排放、缓解液体燃料依赖、提供高效储氢等多重优点。利用加氢制备的步骤如下所示： 反应I：   反应II：   反应III：   将和混合通入恒容密闭容器中，在不同催化剂作用下发生反应I和反应II，反应相同的一段时间，不同条件下选择性和产率随温度变化曲线如图所示。 已知：的选择性 1．在上述条件下合成甲醇的最优工业条件是_______。 A．210℃，催化剂a B．230℃，催化剂a C．210℃，催化剂b D．230℃，催化剂b 2．230℃时，能同时提高甲醇产率和甲醇选择性的方法是_______。 A．通入　　　B．减小容器体积　　　C．通入Ar气 3．温度从210℃上升到230℃过程中，甲醇的选择性下降，分析原因_______。 【变式5-2】工业上以黄铁矿(主要成分)为原料制备硫酸，要经煅烧、氧化、吸收三个阶段。 1．黄铁矿煅烧时需粉碎，其目的是___________________________。 2．催化氧化制时，控制温度在450℃左右，这是因为__________。(不定项) A．催化剂活性强，反应速率快 B．转化率大 C．单位时间内，的产量高 D．产生的污染气体少 3．催化氧化设备内构造如图1所示，其中1-4表示催化剂层。图2所示进程中表示热交换过程的是__________。(选填选项) A．    B．    C．    D． E．    F．    G． 4．使用热交换器的目的是______________________________。 将转化为是工业上生产硫酸的关键步骤，发生的反应为  ，与在作催化剂的条件下的反应历程如下： ①； ②…… 5．写出第②步反应的化学方程式：________________________________________。 6．能加快反应速率的根本原因是________________________________________。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $