2022年高中化学58个精讲--合成氨条件的选择 .pdf

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1、高中化学58 个精讲 (30) 合成氨条件的选择.txt师太，你是我心中的魔，贫僧离你越近，就离佛越远初中的体育老师说：谁敢再穿裙子上我的课，就罚她倒立。 高中化学58 个考点精讲30、合成氨条件的选择1复习重点 1 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。2. 了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。2难点聚焦1合成氨条件的选择工业上用N2和 H2合成氨： N2+3H2 2NH3+Q 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？从速率看，温度高、压强大即N2、H2浓度大都会提高反应速率；从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N

2、2和 H2的转化率。可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。但从生产实际考虑，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，将使成本增大。故一般合成氨厂采用的压强是2050MPa帕斯卡。而温度升高，有利于反应速率但不利于N2和 H2的转化率。如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能到达这个目的。那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂- 又称铁触媒。其活性温度为450550，即温度应在450550为宜。将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成

3、氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。选择适宜的条件：根据N2+3H2 2NH3+Q这一反应的特点，运用化学反应速率和化学平衡的理论来选择适宜条件。该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。1适宜的压强： 为何强调适宜？压强越大、有利于 NH3的合成， 但太大， 所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择21075107Pa压强。思考：工业上生产H2SO4 ：2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)为何不采用加压方法？因为在常压下 SO2的转化率已达91% ，不需要再加压2适宜的温度： 温度越低越有利于NH3的合成， 为何还要选择5000C高温？因为温度越低，反应速率越

4、小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C时，催化剂活性最大。3使用催化剂4及时别离出NH3 ，并不断补充N2和 H2N2要过量，提高成本较高的H2转化率小结：合成氨的适宜条件：压强： 2050MPa帕斯卡温度： 500左右催化剂：铁触媒 2 合成氨工业简述1原料气的制备、净化 制 N2：物理方法：空气液态空气 N2 化学方法：空气 CO2+N2 N2 制 H2 ：水蒸气 CO+H2 CO2+H2 H2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页反应方程式为：C+H2O g= CO+H2 ；CO+H2Og= CO2+H

5、2 注意：制得的N2 、 H2需要净化，清除杂质，以防止催化剂 中毒 。2. 合成氨反应的特点化学反应： N2+3H2 2NH3 ; 1可逆反应； 2正反应是放热反应；3正反应是气体体积缩小的反应。3工业合成氨适宜条件的选择在实际生产中，需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况，以确定最正确的生产条件。4. 图示合成氨的原理3例题精讲例 1 以下说法，能够用勒沙特列原理来解释的是A. 加入催化剂可以提高单位时间氨的产量B. 高压有利于氨的合成反应 C. 500高温比室温更有利于合成氨的反应 D. 恒温恒容下， 在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大， 则平衡正向移动，NH3

6、增多 解析 A. 加入催化剂只能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，提高 单位时间 的产量， 不能使化学平衡发生移动。注意：催化剂能相同倍数地改变正、逆反应速率，故而不改变化学平衡状态。B. 合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强， 使平衡正方向移动，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。C. 因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度。 500高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。采用500既考虑到温度对速率的影响，更主要的是 500左右催化剂活性最大。D. 恒温恒容下充He ，惰性气体He不与 N2 、H2、NH3反应。虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变即

7、分压不变所以平衡不移动，NH3的产量不变。 答案 B 点评 勒沙特列原理是说改变影响平衡的一个条件，平衡就向能够减弱这种改变的方法移动。不要混淆影响速率的条件和影响平衡的条件。例 2：合成氨工业中，原料气(N2，H2及少量的CO ，NH3的混合气 ) 在进入合成塔前常用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页乙酸二氨合铜( ) 溶液来吸收原料气中CO ，其反应为：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3 Cu(NH3)3Ac CO ； H0 (1)必须除去原料气中CO的原因是什么？ (2)吸收 CO的生产适宜条件是什么？(3)

8、吸收 CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，再生的适宜条件是什么？ 解析 合成氨工业中要使用催化剂，某些物质会使催化剂的活性降低甚至消失，从而发生催化剂中毒。故必须除去原料气中CO 。根据吸收原料气中CO的反应方程式：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3 Cu(NH3)3Ac CO ； H0 可知， 加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于 CO的吸收。 要使吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可。答案： (1) 防止催化剂中毒；(2) 低温、高压；(3) 高温、低压。 点评

9、 在实际工业生产过程中，适宜生产条件的选择需要考虑反应速率、化学平衡、 原料选择、产量和设备等多方面因素。例 3 温度、催化剂不变， 向某一固定体积的密闭容器内按以下各组物质的量加入H2 、 N2、 NH3 ，反应达平衡时；氨气浓度最大的一组是ABCDH2613.55N22011.5NH30421 分析 2NH3 N2 3H2. 根据反应 一边倒 换算 . B 0 2 617 C 0 2 35由此可知，符合题意的是B. 解答 B 小结 可逆反应， 在条件相同时 等温等容 ，假设到达等同平衡，其初始状态必须能互变，从极限角度看，就是各物质的物质的量要相当. 因此可以采用一边倒的原则来处理以下问题

10、：1化学平衡等同条件等温等容 aA(g)bB(g) cC(g) 始 a b 0 平衡态始 0 0 c 平衡态始 x y z 平衡态为了使平衡根据 一边倒 原则，即可得 xza 1 yzb 1 例 4 合成氨工厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮的转化率。某工厂测得合成塔中 N2、H2混合气体的密度为0.5536g/L(标准状况 )，从合成塔中出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L(标准状况 ) 。求该合成氨厂N2的转化率。 解析 由于题目中没有告诉起始物质的量，也没有说明N2、 H2是按化学方程式中物质的计量数投放物料，因此部分学生就假设N2为 1molH2 为 3mol，进行

11、解题，依据是不足的。故此题解答时只能设反应前混合气体中氮气的物质的量分数为x，氢气物质的量分数为(1-x) ，依题意得：设起始有氮气2mol，氢气为 3mol，氮气转化的物质的量为y，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页N2 + 3H2 2NH3 起始物质的量2mol 3mol 0mol 转化物质的量ymol 3ymol 2ymol 平衡物质的量 2-ymol 3-3ymol 2ymol n总=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol 根据反应前后气体质量守恒可知解得 答案 25% 点评 此

12、题是一道化学平衡综合计算题，考查学生综合计算的解题能力。正确的计算方法应是先由两种混合气体的密度，分别计算出反应前后两种混合气体的平均式量，由氢氨混合气的平均式量求出反应气体中氢气、氮气的体积比，再按合成氨化学反应中有关起始，转化、平衡物质的量的关系及平衡时混合气体的平均式量，从而求出氮气的转化率。4实战演练一、选择题1以下有关合成氨工业的表达，可用勒夏特列原理来解释的是A使用铁触媒，使N2和 H2混合气体有利于合成氨 B 高压比低压条件更有利于合成氨的反应C500左右比室温更有利于合成氨的反应 D合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率2对于可逆反应：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(

13、g) (正反应为放热反应) 。以下说法中正确的选项是A到达平衡时，NH3的生成速率等于NH3的分解速率B到达平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等C到达平衡时，假设加入N2，在重新达平衡时，NH3的浓度比原平衡时增大，H2的浓度比原平衡时减小D到达平衡时，假设升高温度，加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应方向移动3工业上合成氨时一般采用500左右的温度，其原因是适当提高氨的合成速率提高 H2的转化率提高氨的产率催化剂在500时活性最大A只有 B C D4将 H2和 N2的混合气体通入合成塔中，经过1 个小时到达平衡，此时N2 、H2 、NH3的浓度分别为 3、7、4单位均

14、为mol/L ，则以下表达正确的N2的反应速率为2mol/(L h) H2的反应速率为7 mol/(L h) H2的起始浓度为13mol/LN2起始浓度为2 mol/L H2的转化率为46.2% A B C D 5 有平衡体系： CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) 正反应为放热反应 ，为了增加甲醇的产量，工厂应采取的正确措施是A.高温、高压 B.适宜温度、高压、催化剂C.低温、低压 D.低温、高压、催化剂6二氧化氮存在以下平衡：2NO2(g) N2O4(g)正反应为放热反应 。在测定 NO2的相对分子质量时，以下条件中较为适宜的是A、温度 130、压强 105Pa B、温度 25、压强

15、 105Pa C、温度 130、压强 104Pa D、温度 0、压强 104Pa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页7在 N2 +3H2 2NH3 的平衡体系中，当别离出NH3时，以下说法中正确的选项是A正反应速率增大 B平衡向逆反应方向移动C正反应速率大于逆反应速率 D逆反应速率先变小后变大8合成氨所需的氢气由煤和水发生反应制得，其中一步反应为：CO + H2O(g) CO2 + H2(正反应为放热反应) 。要使 CO转化率提高， A增大 H2O(g)的浓度 B增大 CO的浓度 C降低温度 D增大压强二、填空题1一

16、定温度下某密闭容器中进行反应：N2 +3H22NH3 ，达平衡后保持容器体积一定，通入N2，平衡移动。保持容器体积一定，通入Ar，平衡移动。保持容器压强一定，通入Ar，平衡移动。保持容器体积一定，通入N2、H2、NH3 ，使浓度都变为原来的2 倍，平衡移动。2在一定条件下，1molN2和 3molH2混合后反应，到达平衡时测得平衡混合物的密度是同温同压下氢气的5 倍，则氮气的转化率是。 假设在同一个容器中，在相同的温度下，向容器中充入NH3 ，为使到达平衡时各成分的百分含量与上述平衡时相同，则起始时充入的NH3的物质的量为。三、计算题恒温下，将amolN2 与 bmolH2 的混合气体通入一个

17、固定容积的密闭容器中，发生如下反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) 1假设反应进行到某时刻t 时， nt N2 =13mol，nt NH3 =6mol，计算 a 的值。2反应达平衡时， 混合气体的体积为标准状况下 ，其中 NH3的含量 体积分数 为 25% 。计算平衡时NH3的物质的量。3原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比写出最简整数比，下同，n始 n平 = 。4原混合气体中，ab= 。5到达平衡时，N2和 H2的转化率之比，N2 H2 = 。6平衡混合气体中，nN2 nH2 nNH3 = 。参考答案一、选择题 1. BD 2. A 3. D 4. C 5. B 6. C 7. CD 8. AC 二、填空题 1. 向右、不、向左、向右、 2mol 三、计算题1a=16 2 8mol 35： 4 42：3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页分享智慧泉源智爱学习传扬爱心喜乐1 Wisdom&Love 第页 共5页 Tel:020-36581010 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页