2.4 化学反应的调控（导学案）化学人教版选择性必修1

该高中化学导学案聚焦“化学反应的调控”，以工业合成氨为核心案例，引导学生运用化学反应速率和化学平衡知识分析适宜条件。课堂导入从冰箱冷藏食物、灭火等生活实例切入，关联速率与平衡调控原理，再过渡到合成氨的重要性，搭建从生活到工业的知识支架。 资料特色鲜明，通过“工程师视角”任务驱动学生统筹速率、平衡、成本等因素，培养科学思维。结合实验数据与工艺流程分析，提升科学探究能力，习题融入生产情境强化应用，体现化学服务生产的科学态度与责任，助力学生形成化工条件选择的系统思路。

2.4 化学反应的调控 第1课时 化学反应的调控 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 重点：1.化学反应速率和化学平衡的综合调控方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 难点：1.统筹兼顾速率、平衡、生产成本、设备要求等多重因素，掌握化工生产条件选择的一般思路与方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 1．问题讨论 (1)压强 ①原理分析：___________。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为_________MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：____________________________________________。 (2)温度 ①原理分析：___________有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为___________ ℃。 ③不采用低温的理由：_________________________________。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为______________________。 (3)催化剂 ①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分___________。 ②选用条件：通常采用加入以___________的多成分催化剂，又称___________。 ③选择催化剂的理由：_________________________________。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过___________。 (4)浓度 ①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍___________。 ②采取的措施：采取___________的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气___________，并及时___________，使反应物保持一定的浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向___________移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的___________，又提高了反应___________，有利于合成氨反应。 【答案】(1) 压强越大越好 10～30 压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益 (2) 低温 400～500 温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的 铁触媒在500℃左右时的活性最大 (3) 缓慢 铁为主体 铁触媒 改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地发生反应 净化 (4) 不够高 迅速冷却 循环使用 补充N2和H2 生成NH3的方向 利用率 速率 【详解】（1）①原理分析：合成氨反应为气体分子数减小的反应，根据勒夏特列原理，合成氨反应为气体分子数减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，可提高原料平衡转化率，同时增大压强可加快反应速率。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为 10~30 MPa。 ③不采用更高压强的理由：压强过大，对设备强度、材料要求极高，动力消耗大，生产投资大幅增加，综合经济效益反而下降。 （2）①原理分析：合成氨为放热反应，降低温度有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为 400~500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度过低，化学反应速率显著降低，达到平衡所需的时间过长，工业上不经济。 ④选择400~500 ℃的另一重要原因：此温度下铁触媒催化剂的活性最高，可大幅提高反应速率。 （3）①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍进行得十分缓慢，需催化剂加速。 ②选用条件：通常采用加入以 铁 为主体的多成分催化剂，又称 铁触媒。 ③选择催化剂的理由：催化剂可降低反应的活化能，改变反应路径，使反应在较低温度下快速进行。 ④防止催化剂中毒的措施：原料气必须经过 净化，除去如硫、砷等使催化剂失活的杂质。 （4）①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH₃体积分数仅26.4%，说明平衡时N2和H2的转化率仍不够高。 ②采取的措施：采取 迅速冷却 的方法，使气态氨液化后及时分离；将分离NH₃后的原料气 循环使用，并及时 补充N2和H2，以维持反应物浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3使平衡向生成NH3的方向移动；原料气循环使用并补充，既提高了原料的 利用率，又提高了反应 速率，有利于合成氨反应持续高效进行。 2．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 ___________ 温度 ___________ 催化剂 使用___________作催化剂 浓度 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)=1∶2.8] 【答案】 铁触媒 【详解】合成氨的反应为，，属于气体分子数减少的放热可逆反应，故降低温度或增大压强，平衡正向移动， 但因为温度低，化学反应速率慢，达到平衡的时间变长，温度太高，平衡转化率低，催化剂常用铁触媒，且催化剂在500℃时活性最好，如果压强太大，动力、设备等生产成本太高，故实际生产中一般采用的反应条件为：10~30MPa和400～500℃，同时将液化氨及时分离，分离出的和等原料气循环使用，以提高原料的转化率。 （一）课堂导入 【互动提问】同学们，上课前咱们先聊两个生活里的常见场景哦：第一个，家里吃不完的饭菜、新鲜的果蔬，我们一般都会放到冰箱冷藏保存，大家知道这背后的原理是什么吗？第二个，如果遇到火情，我们常用的灭火方法有哪些呢？（给1-2分钟时间鼓励学生举手发言，引导学生总结出：冰箱低温可以减慢食物腐败的反应速率，灭火是通过隔离可燃物、降低温度、隔绝氧气等方式阻止燃烧反应发生） 【总结过渡】大家分析得都非常准确！你看，不管是减慢食物变质的速率，还是阻止燃烧反应发生，本质上都是我们在对化学反应进行调控，这类调控在生活中随处可见。而在化工生产领域，化学反应的调控更是直接决定了生产的效益和价值，其中最经典的案例就是工业合成氨：大家知道吗？合成氨技术被称为20世纪最伟大的化学发明之一，它让人工固氮成为现实，直接推动全球粮食产量翻了数倍，养活了数十亿人口，前后共有3次诺贝尔奖颁发给了和合成氨相关的研究。那如果现在你是合成氨工厂的工程师，你要怎么选择反应条件，既能让氨的生成速率足够快，又能尽量提高原料的利用率呢？今天咱们就结合之前学过的化学反应速率和化学平衡知识，一起来探索化学反应的调控思路，解锁工业合成氨的适宜条件。 （二）工业合成氨的原理分析 任务一 如果你是工程师，如何设计合成氨的条件呢？从哪些角度分析？ 【教师提问】请大家思考：冰箱储存食物、灭火的措施分别是通过改变哪些条件调控反应的？调控的目的分别是什么？ 【学生思考】学生讨论后回答： 1.冰箱降低温度，减慢食物变质的反应速率，目的是减慢不利反应的速率； 2.灭火时隔离可燃物是减小反应物浓度、隔绝空气是减少反应物氧气、降温是降低温度，目的是使燃烧反应停止，阻止不利反应发生。 【讲解】强调：化学反应调控的核心就是根据反应特点，改变外界条件，使有利的反应更快、转化率更高，不利的反应被抑制。工业上最经典的调控案例就是合成氨工业，它解决了全球几十亿人的粮食问题，是20世纪最重大的化工发明之一。 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (1)反应：合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (2)特点： ①可逆反应 ②放热反应：ΔH<0 ③熵减的反应：ΔS<0 ④常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 任务二 思考与讨论：根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件？ 【引入】我们要调控合成氨反应，需要同时实现两个目标：①增大合成氨的反应速率，提高单位时间的产量；②提高平衡混合物中NH3的含量，提高原料利用率。请大家结合反应特点，完成下表： 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 【教师提问】大家填写完表格后，思考：哪些条件的选择，速率和平衡的要求是一致的？哪些是矛盾的？ 【学生思考】回答： 1.浓度：增大反应物浓度既可以加快速率，也可以提高平衡转化率；及时移走氨气可以提高平衡转化率； 2.温度：升高温度加快反应速率，但降低平衡转化率，二者要求矛盾； 3.压强：增大压强既可以加快反应速率，也可以提高平衡转化率，要求一致； 4.催化剂：使用催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡转化率。 【教师补充】展示课件中不同温度、压强下平衡时氨的体积分数数据表，请大家分析数据，验证我们的理论分析是否正确。 【学生思考】分析数据后得出：压强相同时，温度升高，氨的体积分数降低；温度相同时，压强增大，氨的体积分数升高，和理论分析完全一致。 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应为浓度及时移走产生的氨 降低 增大 无影响 ⑵从实验数据分析 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时，反应混合物中氨的含量（体积分数） 压强增大，氨的含量增大，温度升高，氨的含量降低 （三）工业合成氨的适宜条件 任务三 思考：在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？ 【引入】我们从理论上分析压强越大越好，但是实际生产中是不是压强越高越合适？ 【教师提问】工业生产选择压强除了考虑速率和平衡，还要考虑哪些因素？ 【学生思考】学生讨论后回答：压强越高，对设备的材料强度要求越高，设备制造成本越高，需要的动力也越大，会增加生产成本。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 【引入】温度的选择，速率要求高温，平衡要求低温，二者矛盾，应该如何权衡？ 【教师提问】除了速率和平衡，温度的选择还需要考虑什么因素？ 【学生思考】学生结合催化剂的特点回答：还需要考虑催化剂的活性温度。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 2.温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 【教师提问1】催化剂不影响平衡转化率，为什么工业生产还要使用催化剂？催化剂使用时有什么注意事项？ 【学生思考】回答：催化剂可以降低反应活化能，大幅加快反应速率，缩短达到平衡的时间，提高单位时间的产量；原料气必须净化，防止杂质使催化剂“中毒”，失去催化活性。 【教师提问2】浓度条件如何调控，才能兼顾速率和平衡的要求？ 【学生思考】回答：及时把生成的氨分离出去，促进平衡正向移动；未反应的原料气循环使用，同时及时补充N2和H2，保持反应物的较高浓度，加快反应速率。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 3.催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 4.合成氨工艺条件的选择 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 任务四 分析：合成氨的工艺流程 【教师提问】原料气净化、加压、热交换、冷却、循环气利用这几个步骤的作用分别是什么？ 【学生思考】分组讨论后回答： 1.原料气干燥净化：除去杂质，防止催化剂中毒； 2.压缩机加压：达到反应需要的压强，提高速率和平衡转化率； 3.热交换：合成氨是放热反应，利用反应放出的热量预热原料气，节约能源； 4.冷却：使气态氨液化，从混合气中分离出来，促进平衡正向移动； 5.循环使用原料气：合成氨是可逆反应，分离氨之后的混合气还有大量未反应的N2和H2，循环使用可以提高原料利用率，降低成本。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 ①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 ②压缩机加压：增大压强 ③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 ④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 ⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 【例1】．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝-92.4kJ·mol−1。下面说法正确的是( ) A．合成氨一般选择400～500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响 B．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率 C．增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本 D．由于N2在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉 【答案】C 【解析】A项，合成氨选择400~500℃，既考虑温度对速率的影响(加快反应速率)，也考虑催化剂(铁触媒)的活性，该温度下催化剂活性高，不只是考虑速率，A错误；B项，及将氨气及时液化分离，平衡正向移动，但浓度降低了，反应速率会减慢，不是加快，B错误；C项，增大压强，平衡正向移动，能提高平衡产率，但压强过大对设备要求高、成本高，实际生产采用20MPa左右可节省设备成本，C正确；D项，直接将空气与氢气混合通入反应炉，空气中的氧气会与氢气混合发生爆炸等危险，且空气中含有其他杂质气体，会影响反应，不能直接混合，D错误；故选C。 【教师提问】我们今天分析合成氨条件的过程，总结一下，调控一个化工反应需要考虑哪些方面的因素？ 【学生思考】回答：首先考虑反应本身的特点，然后考虑外界条件对速率和平衡的影响，还要考虑设备、成本、环保等实际问题。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 6.化学反应调控需要注意的问题 ⑴考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素； ⑵考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件； ⑶选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况； ⑷还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 【拓展补充】介绍合成氨相关的诺贝尔奖，以及我国中科院大连化物所团队开发的低温低压合成氨催化剂的研究成果，增强学生民族自豪感，体会化学研究对生 产生活的重大意义。 【例2】合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是( ) A．为防止原料气中混有的杂质使催化剂中毒，原料气必须经过净化 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．未经循环前，a、b、c三处的混合气体的成分含量各不相同，温度也各不相同 D．基于氨气有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应向生成氨气方向进行 【答案】C 【解析】合成氨反应使用铁触媒作催化剂，氮气和氢气在加压高温条件下反应生成氨气，液化分离出氨气，该反应是可逆反应。A．合成氨反应使用铁触媒作催化剂，原料气中含有杂质的气体可能会造成催化剂中毒而活性减弱，因此原料气需要经过净化，故A正确；B．合成氨反应为气体体积减小的反应，增大压强既有利于加快速率又有利于平衡右移，但压强增大设备成本大幅度提升，故需要综合考虑以上影响因素，故B正确；C．未经循环前，a、b两处的混合气体的成分含量相同，故C错误；D．冷却过程，及时将NH3从平衡混合物中分离除去，降低了产物的浓度，促使合成氨反应向生成氨气的方向移动，提高了产率，故D正确；故选C。。 1．氨是制造化肥的重要原料，如图为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是( ) A．工业上制氮气一般用分离液态空气法 B．步骤②、③、④、⑤均有利于提高反应物的平衡转化率 C．步骤①中“净化”N2、H2混合气体可以防止催化剂中毒 D．步骤③中温度选择500℃，主要是考虑催化剂的活性 【答案】B 【解析】A项，由于空气中最主要的两种气体是氮气和氧气，利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低，先将空气加压降温变成液态，然后再加热，由于液氮的沸点(-196摄氏度)比氧气的沸点(-183摄氏度)低，氮气首先从液态空气中蒸发出来，留下的就是液态氧气，工业上制氮气一般用分离液态空气法，故A正确；B．步骤③中催化剂不改变化学平衡，反应物的平衡转化率不变，又合成氨的反应为放热反应，升温平衡逆向移动，反应物的平衡转化率减小，故B错误；C．为防止催化剂中毒，反应前的氮气和氢气混合气体需要除杂净化，故C正确；D．步骤③中温度选择500℃，主要是考虑催化剂的活性，故D正确；故选B。 2.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 【答案】C 【解析】增大压强，平衡不移动；增大CO的浓度，平衡向右移动，但CO的转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO的转化率不变；降低温度或增大水蒸气的浓度，平衡均向右移动，CO的转化率增大。 3．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3： 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=－196.6 kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应 B．在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，这与催化剂的活性无关 C．反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率 D．为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO2需回收处理 【答案】B 【解析】A．由表格数据可知，在常压及400～500℃时，二氧化硫的转化率已经很高，继续增大压强，虽然二氧化硫的平衡转化率会提高，但不明显，且会增加设备成本，增大投资和能量消耗，故A正确；B．温度太高时，催化剂失去活性，则实际生产中，选定的温度为400~500℃，主要原因是考虑催化剂的活性最佳，故B错误；C．空气的成本较低，在实际生产中，通入过量的空气，反应物浓度增大，反应速率加快，平衡正向移动，从而可提高成本较高的二氧化硫的转化率，故C正确； D．尾气中的SO2必须回收循环利用，防止污染环境并提高原料的利用率，故D正确；故选B。 4.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．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 B．合成氨厂一般采用的压强为10MPa～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 C．增大压强，正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大 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 【答案】C 【解析】A．工业合成氨是放热反应，低温有利于反应正向移动，反应温度控制在400～500℃，是为了兼顾速率和平衡，而且此温度下催化剂活性最高，故A错误；B．工业合成氨的催化剂铁触媒的活性受温度影响比较大，400～500℃活性最高，故B错误；C．工业合成氨N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，增大压强，反应物浓度和生成物浓度都增大，但反应物浓度增大的多，所以正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大，故C正确；D．N2的量越多，H2的转化率越大，但加入过多的氮气，未反应的氮气会带走较多的热量，反而不利于氨气的合成，故D错误；故选C。 5.某工业生产中发生反应：2X(g)+Y(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是(　　) A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B．若物质Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高M的日产量 【答案】D 【解析】虽然高压条件有利于M生成，但不一定都采用高压条件，如2SO2+O22SO3，常压下SO2的转化率已经很高，高压对SO2的转化率影响不大，因而工业上采用常压；加入Y，X的转化率提高，但Y的转化率降低；ΔH<0，升高温度，反应物转化率降低；催化剂可加快化学反应速率。 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (1)反应：合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (2)特点： ①可逆反应 ②放热反应：ΔH<0 ③熵减的反应：ΔS<0 ④常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应为浓度及时移走产生的氨 降低 增大 无影响 ⑵从实验数据分析 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时，反应混合物中氨的含量（体积分数） 压强增大，氨的含量增大，温度升高，氨的含量降低 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 2.温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 3.催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 4.合成氨工艺条件的选择 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 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 ①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 ②压缩机加压：增大压强 ③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 ④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 ⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 6.化学反应调控需要注意的问题 ⑴考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素； ⑵考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件； ⑶选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况； ⑷还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 考点01 工业合成氨的原理分析 1．工业合成氨的反应为：N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) △H <0，该反应应采取的适宜条件是( ) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、压强、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．高温、高压、催化剂 【答案】B 【解析】降温平衡右移，但反应速率太慢，从反应速率和催化剂的活性考虑，温度选在500℃左右，增大压强，平衡右移，但压强太大，对设备要求很高，所以也要选择适宜的压强，催化剂能增大反应速率，也要选择适宜的催化剂。故选B。 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu­Zn­Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 【答案】B 【解析】B项，加热可以加快化学反应速率，放热反应也可能在加热条件下进行，故不正确。 考点02 工业合成氨的适宜条件 3.对于可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列说法中正确的是(　　) A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器体积，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，而逆反应速率减小 【答案】C 【解析】达到平衡后，充入N2，平衡向正反应方向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度不会减小；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，缩小容器体积即增大压强，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。 4．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)，ΔH<0.下列说法正确的是( ) A．这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行 B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率 【答案】B 【解析】A项，这是一个放热的熵减反应，△H <0，△S<0，根据时可自发判断，在低温条件下该反应是自发反应，但不一定可自发进行，A错误；B项，若物质B价廉易得，工业上一般通过加入过量的B，增大B的浓度，使平衡向正反应方向移动提高A的转化率，B正确；C项，该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，反应物的转化率减小，C错误；D项，使用催化剂，化学反应速率增大，但化学平衡不移动，反应物的平衡转化率不变，D错误；故选B。 5．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是(　　) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C．采用700 K左右的高温而不是900 K的高温 D．采用1×107～3×107 Pa的压强 【答案】B 【解析】把氨分离出来是减小生成物浓度，有利于平衡右移；合成氨反应是放热反应，相对较低温度(700 K)利于反应向右进行，同时该反应是气体物质的量减小的反应，尽可能采取高压利于正反应的进行，A、C、D都符合平衡移动原理，而使用催化剂仅是为增大反应速率，与平衡移动无关。 6．关于合成氨工业的下列说法正确的是( ) A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低 B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来，氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D．合成氨工业采用10~30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 【答案】B 【解析】A项，从合成塔出来的气体中，氨气一般仅占15%，但由于氮气和氢气的再循环，使得生产氨的工业效率也能达到相当高的水平，故A不选；B项，由A项可知B正确，故选B；C项，合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，是为使催化剂的活性达到最佳状态，故C不选；D项，合成氨工业采用10~30MPa，是因为再增大压强，平衡转化率不会提高太多，且增大压强对设备的要求更高，不能达到更好的经济效益，故D不选。故选B。 7．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)。工业制硫酸的原理示意图： SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化情况见下表： 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 下列说法不正确的是( ) A．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间 B．通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高 C．工业生产中通入过量的空气可以提高SO2的平衡转化率 D．反应选择在400～500 ℃，主要是让V2O5的活性最大、SO2的平衡转化率提高 【答案】D 【解析】A．使用催化剂加快反应速率，可以缩短反应达到平衡所需的时间，A正确；B．根据表中数据可判断常压下SO2的转化率已相当高，所以通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高，增大压强对设备要求高，增加成本，B正确；C．氧气是反应物之一，工业生产中通入过量的空气促使平衡正向移动，因此可以提高SO2的平衡转化率，C正确；D．反应选择在400～500 ℃，主要是让V2O5的活性最大，由于正反应是放热反应，因此高温下SO2的平衡转化率会降低，D错误；故选D。 8．(2026·浙江省杭州首考适应性考试)化学与社会、生产、生活密切相关，下列说法不正确的是 A．硝酸工业4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)  ΔH<0 达到平衡后，升高温度，对逆反应的速率影响更大 B．工业炼钢反应FeO(s)+C(s)CO(g)+Fe(s)  ΔH>0，达到平衡后，保持温度不变，压缩容器体积，重新达到平衡时c(CO)和原平衡相等 C．工业制硫酸2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0该反应低温自发，工业生产选择的温度是400-500℃高温 D．合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，ΔH<0，将氨气液化，既能提高反应的限度，又能提高正反应的速率 【答案】D 【解析】A项，硝酸工业反应为放热反应，升高温度正逆反应速率都增大，平衡逆向移动，故逆反应的速率受温度影响更大，A正确；B项，工业炼钢反应中，平衡常数K=c(CO)，温度不变则K不变，压缩体积后c(CO)保持不变，B正确；C项，工业制硫酸反应低温自发，但工业生产选择400-500℃高温是为了提高反应速率，C正确；D项，合成氨反应中，液化氨气(移除产物)可使平衡正向移动，提高反应限度，但没有提高正反应速率，D错误；故选D。 9．（25-26高二上·广西南宁·阶段检测）能量是工业生产中重要的资源，下列说法正确的是 A．吸热反应一定需要加热才能发生 B．  ，工业合成氨选择左右是为提高平衡转化率 C．已知  ，则该反应高温下才能自发进行 D．已知  ，  ，则 【答案】C 【详解】A．吸热反应的发生与是否加热无必然联系，如与的反应为吸热反应，常温下即可发生，A错误； B．合成氨反应，升高温度平衡逆向移动，平衡转化率降低，选择500∘C是为了保证催化剂活性、加快反应速率，并非提高平衡转化率，B错误； C．反应自发进行的判据为，该反应，反应后生成气体，，只有高温下才能满足，则该反应高温下才能自发进行，C正确； D．碳完全燃烧放出的热量大于不完全燃烧放出的热量，放热反应的，放出热量越多越小，故，D错误； 故选C。 10．（24-25高二上·广东汕头·期中）合成氨的生产流程示意如下： (1)已知：，合成氨反应在常温下_______(填“能”或“不能”)自发进行。 (2)原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：。 ①必须除去原料气中CO的原因为_______。 ②吸收CO后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是_______(填字母)。 A．低温高压        B．低温低压        C．高温高压        D．高温低压 (3)流程图中，X是_______(填化学式)。 (4)工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素。反应分两步：a．CO2和NH3生成NH2COONH4；b．NH2COONH4分解生成尿素，结合反应过程中能量变化示意图(如图)，回答问题： ①根据活化能判断，合成尿素的决速反应为反应_______(填“a”或“b”)。 ②_______(用含“”的代数式表示)。 【答案】(1)能 (2) 防止催化剂中毒 D (3)NH3 (4) b 【分析】合成氨的生产流程中原料气经过干燥净化，然后进行加压，在400℃-500℃温度下，使用铁催化剂进行合成氨，合成氨反应后得到、未反应的和的混合气体，经过冷却处理，会液化从体系中分离出来，未反应的和的混合气体循环回体系中继续参与反应，因此X为，Y为未反应的和的混合气，由此解答； 【详解】（1）根据，，常温为298K，代入，因此合成氨反应在常温下能自发进行； （2）①合成氨的流程中使用铁催化剂，会与铁催化剂发生作用，导致铁催化剂失去催化活性，即发生催化剂中毒，因此必须提前除去原料气中的； ②醋酸二氨合铜溶液吸收的反应为放热、气体分子数减小的可逆反应：，溶液再生的目标是让平衡逆向移动，释放出以恢复吸收能力，根据平衡移动规律，反应为放热反应，升高温度可以让平衡逆向移动；反应为气体分子数减小的反应，降低压强可以让平衡逆向移动，因此适宜的条件为高温低压，故选D； （3）由分析可知，X为； （4）①总反应的反应速率由活化能更大的基元步骤决定，决速反应为活化能最大的反应，反应a的活化能为，反应b的活化能为，根据图像观察可知，，因此决速反应为反应b； ②总反应的焓变等于生成物的总能量-反应物的总能量，设中间产物的能量为0，生成物的总能量为，反应物的总能量为，因此。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 2.4 化学反应的调控 第1课时 化学反应的调控 1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析合成氨的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。 2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。 重点：1.化学反应速率和化学平衡的综合调控方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 难点：1.统筹兼顾速率、平衡、生产成本、设备要求等多重因素，掌握化工生产条件选择的一般思路与方法； 2.工业合成氨适宜条件的分析与确定。 1．问题讨论 (1)压强 ①原理分析：___________。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为_________MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：____________________________________________。 (2)温度 ①原理分析：___________有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为___________ ℃。 ③不采用低温的理由：_________________________________。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为______________________。 (3)催化剂 ①原理分析：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得十分___________。 ②选用条件：通常采用加入以___________的多成分催化剂，又称___________。 ③选择催化剂的理由：_________________________________。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过___________。 (4)浓度 ①原理分析：在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，即平衡时N2和H2的转化率仍___________。 ②采取的措施：采取___________的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；应将NH3分离后的原料气___________，并及时___________，使反应物保持一定的浓度。 ③采取该措施的理由：分离出NH3以促使平衡向___________移动，此外原料气的循环使用并及时补充原料气，既提高了原料的___________，又提高了反应___________，有利于合成氨反应。 2．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 ___________ 温度 ___________ 催化剂 使用___________作催化剂 浓度 液化氨并及时分离，补充原料气并循环利用[n(N2)∶n(H2)=1∶2.8] （一）课堂导入 【互动提问】同学们，上课前咱们先聊两个生活里的常见场景哦：第一个，家里吃不完的饭菜、新鲜的果蔬，我们一般都会放到冰箱冷藏保存，大家知道这背后的原理是什么吗？第二个，如果遇到火情，我们常用的灭火方法有哪些呢？（给1-2分钟时间鼓励学生举手发言，引导学生总结出：冰箱低温可以减慢食物腐败的反应速率，灭火是通过隔离可燃物、降低温度、隔绝氧气等方式阻止燃烧反应发生） 【总结过渡】大家分析得都非常准确！你看，不管是减慢食物变质的速率，还是阻止燃烧反应发生，本质上都是我们在对化学反应进行调控，这类调控在生活中随处可见。而在化工生产领域，化学反应的调控更是直接决定了生产的效益和价值，其中最经典的案例就是工业合成氨：大家知道吗？合成氨技术被称为20世纪最伟大的化学发明之一，它让人工固氮成为现实，直接推动全球粮食产量翻了数倍，养活了数十亿人口，前后共有3次诺贝尔奖颁发给了和合成氨相关的研究。那如果现在你是合成氨工厂的工程师，你要怎么选择反应条件，既能让氨的生成速率足够快，又能尽量提高原料的利用率呢？今天咱们就结合之前学过的化学反应速率和化学平衡知识，一起来探索化学反应的调控思路，解锁工业合成氨的适宜条件。 （二）工业合成氨的原理分析 任务一 如果你是工程师，如何设计合成氨的条件呢？从哪些角度分析？ 【教师提问】请大家思考：冰箱储存食物、灭火的措施分别是通过改变哪些条件调控反应的？调控的目的分别是什么？ 【学生思考】学生讨论后回答： 【讲解】强调： 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (2)特点： 任务二 思考与讨论：根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件？ 【引入】我们要调控合成氨反应，需要同时实现两个目标：①增大合成氨的反应速率，提高单位时间的产量；②提高平衡混合物中NH3的含量，提高原料利用率。请大家结合反应特点，完成下表： 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 【教师提问】大家填写完表格后，思考：哪些条件的选择，速率和平衡的要求是一致的？哪些是矛盾的？ 【学生思考】回答： 【教师补充】展示课件中不同温度、压强下平衡时氨的体积分数数据表，请大家分析数据，验证我们的理论分析是否正确。 【学生思考】分析数据后得出： 知识总结 一、工业合成氨的原理分析 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 提高平衡混合物中氨的含量 ⑵从实验数据分析 （三）工业合成氨的适宜条件 任务三 思考：在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？ 【引入】我们从理论上分析压强越大越好，但是实际生产中是不是压强越高越合适？ 【教师提问】工业生产选择压强除了考虑速率和平衡，还要考虑哪些因素？ 【学生思考】学生讨论后回答： 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 【引入】温度的选择，速率要求高温，平衡要求低温，二者矛盾，应该如何权衡？ 【教师提问】除了速率和平衡，温度的选择还需要考虑什么因素？ 【学生思考】学生结合催化剂的特点回答：还需要考虑催化剂的活性温度。 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 2.温度 【教师提问1】催化剂不影响平衡转化率，为什么工业生产还要使用催化剂？催化剂使用时有什么注意事项？ 【学生思考】回答： 【教师提问2】浓度条件如何调控，才能兼顾速率和平衡的要求？ 【学生思考】回答： 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 3.催化剂 4.合成氨工艺条件的选择 外部条件 工业合成氨的适宜条件 压强 温度 催化剂 浓度 任务四 分析：合成氨的工艺流程 【教师提问】原料气净化、加压、热交换、冷却、循环气利用这几个步骤的作用分别是什么？ 【学生思考】分组讨论后回答： 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 【例1】．工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝-92.4kJ·mol−1。下面说法正确的是( ) A．合成氨一般选择400～500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响 B．将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率 C．增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本 D．由于N2在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉 【教师提问】我们今天分析合成氨条件的过程，总结一下，调控一个化工反应需要考虑哪些方面的因素？ 【学生思考】回答： 知识总结 二、工业合成氨的适宜条件 6.化学反应调控需要注意的问题 【拓展补充】介绍合成氨相关的诺贝尔奖，以及我国中科院大连化物所团队开发的低温低压合成氨催化剂的研究成果，增强学生民族自豪感，体会化学研究对生 产生活的重大意义。 【例2】合成氨生产流程如图所示。下列说法不正确的是( ) A．为防止原料气中混有的杂质使催化剂中毒，原料气必须经过净化 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．未经循环前，a、b、c三处的混合气体的成分含量各不相同，温度也各不相同 D．基于氨气有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应向生成氨气方向进行 1．氨是制造化肥的重要原料，如图为工业合成氨的流程图。下列有关说法错误的是( ) A．工业上制氮气一般用分离液态空气法 B．步骤②、③、④、⑤均有利于提高反应物的平衡转化率 C．步骤①中“净化”N2、H2混合气体可以防止催化剂中毒 D．步骤③中温度选择500℃，主要是考虑催化剂的活性 2.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。欲提高CO的利用率，可采用的方法是(　　) ①降低温度　②增大压强　③使用催化剂　④增大CO的浓度　⑤增大水蒸气的浓度 A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．②⑤ 3．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化为SO3： 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=－196.6 kJ/mol。下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。下列说法错误的是 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 A．在实际生产中，从成本的角度考虑选择常压下进行反应 B．在实际生产中，选定的温度为400～500 ℃，这与催化剂的活性无关 C．反应过程中通入过量的空气，以提高平衡时SO2的转化率 D．为避免污染环境和提高原料利用率，尾气中的SO2需回收处理 4.下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　) A．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 B．合成氨厂一般采用的压强为10MPa～30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高 C．增大压强，正反应速率和逆反应速率均增大，但对正反应的反应速率影响更大 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 5.某工业生产中发生反应：2X(g)+Y(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该反应的说法正确的是(　　) A．工业上合成M时，一定采用高压条件，因为高压有利于M的生成 B．若物质Y价廉易得，工业上一般采用加入过量的Y的方法，以提高X和Y的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高M的日产量 一、工业合成氨的原理分析 1.合成氨反应的特点 (1)反应：合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJmol－1，ΔS＝－198.2 Jmol－1K－1。 (2)特点： ①可逆反应 ②放热反应：ΔH<0 ③熵减的反应：ΔS<0 ④常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。 2.合成氨的原理分析 ⑴从化学反应速率、化学平衡分析 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 增大 升高 增大 使用 提高平衡混合物中氨的含量 增大反应为浓度及时移走产生的氨 降低 增大 无影响 ⑵从实验数据分析 不同条件下，合成氨反应达到化学平衡时，反应混合物中氨的含量（体积分数） 压强增大，氨的含量增大，温度升高，氨的含量降低 二、工业合成氨的适宜条件 1. 压强 ①原理分析：压强越大越好。 ②选用条件：目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。 ③合成氨时不采用更高压强的理由：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 2.温度 ①原理分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。 ②选用条件：目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。 ③不采用低温的理由：温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。 合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的又一重要原因为铁触媒在500 ℃左右时的活性最大。 3.催化剂 ①原理分析：在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 ②选用条件：通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。 ③选择催化剂的理由：改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。 另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。 4.合成氨工艺条件的选择 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 5.合成氨的工业流程 (1)生产流程 (2)流程分析 ①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性 ②压缩机加压：增大压强 ③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。 ④冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。 ⑤循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。 6.化学反应调控需要注意的问题 ⑴考虑参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素； ⑵考虑影响化学反应速率和平衡的温度、压强、浓度、催化剂等反应条件； ⑶选择适宜的生产条件还要考虑设备条件、安全操作、经济成本等情况； ⑷还要考虑环境保护及社会效益等方面的规定和要求。 考点01 工业合成氨的原理分析 1．工业合成氨的反应为：N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) △H <0，该反应应采取的适宜条件是( ) A．低温、高压、催化剂 B．适宜的温度、压强、催化剂 C．低温、常压、催化剂 D．高温、高压、催化剂 2．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)，下列叙述错误的是(　　) A．使用Cu­Zn­Fe催化剂可大大提高生产效率 B．反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 考点02 工业合成氨的适宜条件 3.对于可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列说法中正确的是(　　) A．达到平衡后充入N2，当重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡的大，N2的浓度比原平衡的小 B．达到平衡后，升高温度，既加快了正、逆反应速率，又提高了NH3的产率 C．达到平衡后，缩小容器体积，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，而逆反应速率减小 4．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)，ΔH<0.下列说法正确的是( ) A．这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行 B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率 C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高 D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率 5．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是(　　) A．不断将氨分离出来 B．使用催化剂 C．采用700 K左右的高温而不是900 K的高温 D．采用1×107～3×107 Pa的压强 6．关于合成氨工业的下列说法正确的是( ) A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低 B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来，氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在400~500℃左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D．合成氨工业采用10~30MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好 7．工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)。工业制硫酸的原理示意图： SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化情况见下表： 温度/℃ 平衡时SO2的转化率/% 0.1MPa 0.5MPa 1MPa 5MPa 10MPa 450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7 550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3 下列说法不正确的是( ) A．使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间 B．通常不采取加压措施是因为常压下SO2的转化率已相当高 C．工业生产中通入过量的空气可以提高SO2的平衡转化率 D．反应选择在400～500 ℃，主要是让V2O5的活性最大、SO2的平衡转化率提高 8．(2026·浙江省杭州首考适应性考试)化学与社会、生产、生活密切相关，下列说法不正确的是 A．硝酸工业4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)  ΔH<0 达到平衡后，升高温度，对逆反应的速率影响更大 B．工业炼钢反应FeO(s)+C(s)CO(g)+Fe(s)  ΔH>0，达到平衡后，保持温度不变，压缩容器体积，重新达到平衡时c(CO)和原平衡相等 C．工业制硫酸2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0该反应低温自发，工业生产选择的温度是400-500℃高温 D．合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，ΔH<0，将氨气液化，既能提高反应的限度，又能提高正反应的速率 9．（25-26高二上·广西南宁·阶段检测）能量是工业生产中重要的资源，下列说法正确的是 A．吸热反应一定需要加热才能发生 B．  ，工业合成氨选择左右是为提高平衡转化率 C．已知  ，则该反应高温下才能自发进行 D．已知  ，  ，则 10．（24-25高二上·广东汕头·期中）合成氨的生产流程示意如下： (1)已知：，合成氨反应在常温下_______(填“能”或“不能”)自发进行。 (2)原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：。 ①必须除去原料气中CO的原因为_______。 ②吸收CO后的醋酸二氨合铜溶液经过适当处理又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，醋酸二氨合铜溶液再生的生产适宜条件应是_______(填字母)。 A．低温高压        B．低温低压        C．高温高压        D．高温低压 (3)流程图中，X是_______(填化学式)。 (4)工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素。反应分两步：a．CO2和NH3生成NH2COONH4；b．NH2COONH4分解生成尿素，结合反应过程中能量变化示意图(如图)，回答问题： ①根据活化能判断，合成尿素的决速反应为反应_______(填“a”或“b”)。 ②_______(用含“”的代数式表示)。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $