鲁科版 (2019)第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨学案

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

[情境素材]

合成氨是化学科学对人类社会发展与进步作出巨大贡献的典例之一，合成氨工业包括原料气的制备、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。已知合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　298 K时，ΔH＝－92.2 kJ·mol－1　ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。浓度与速率有如下关系：v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)。

[情境探究]

1．根据已知条件分析，在298 K时该反应能否正向自发进行？

提示：298 K时，ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×(－198.2×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈－33.14 kJ·mol－1＜0，该反应正向能自发进行。

2．分析合成氨反应的特点有哪些？

提示：合成氨反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小(熵减小)的可逆反应。

3．根据外界条件对化学平衡的影响规律，你认为采取哪些措施有利于氨的生成？

提示：降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

4．通过控制哪些条件可以提高合成氨反应的速率？

提示：升高温度、增大压强、加入催化剂都可以提高反应速率。在特定条件下，根据关系式v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)可知，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。

1．根据合成氨反应的特点，从化学反应限度看，有利于氨生成的措施

(1)降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。

(2)在一定的温度和压强下，反应物中N2和H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高。

2．根据合成氨反应的特点，从化学反应速率角度看，有利于氨生成的措施

(1)在特定条件下，增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨的速率。

(2)温度对合成氨反应的速率也有显著影响：温度越高，反应进行得越快。

(3)压强：压强越大，反应进行得越快。

(4)使用催化剂，可显著加快反应速率。

即增大反应物浓度、减小反应产物浓度、使用合适的催化剂、升高温度，都可增大合成氨反应的反应速率。

1．可逆反应3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，达到平衡后，为了使H2的转化率增大，下列选项中采用的三种方法都正确的是(　　)

A．升高温度，减小压强，增加氮气

B．降低温度，增大压强，加入催化剂

C．升高温度，增大压强，增加氮气

D．降低温度，增大压强，分离出部分氨

解析：选D　因合成氨是放热反应，升高温度平衡逆向移动，降低温度平衡正向移动，故A、C项错误；加入催化剂可加快反应速率，但对平衡移动无影响，B项错误；因合成氨的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动，增加反应物浓度或减小反应产物浓度会使平衡向正反应方向移动，D项正确。

2．在合成氨时，既要使氨的产率增大，又要使化学反应速率增大，可以采取的措施有(　　)

①增大体积使压强减小　②减小体积使压强增大　③升高温度　④降低温度　⑤恒温恒容，再充入等量的N2和H2　⑥恒温恒压，再充入等量的N2和H2　⑦使用合适的催化剂

A．①④⑤  B．②③④⑦

C．②⑤  D．②③⑤⑥⑦

解析：选C　要使氨的产率增大，平衡右移，增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度均可；要使化学反应速率增大，增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用合适的催化剂，因此符合要求的是②⑤。

1．实际生产中合成氨的适宜条件

2．化工生产适宜条件选择的一般原则

　　3.合成氨生产的工艺流程

生产流程：制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩。

合成氨生产示意图：

1．在合成氨反应中使用催化剂和施加高压，下列叙述中正确的是(　　)

A．都能提高反应速率，都对化学平衡无影响

B．都对化学平衡有影响，但都不影响达到平衡状态所用的时间

C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有施加高压对化学平衡有影响

D．使用催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而施加高压无此效果

解析：选C　对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，使用催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡状态所用的时间，不能使化学平衡发生移动。施加高压既能提高反应速率，使反应达到平衡状态所用的时间缩短，也能使化学平衡向生成NH3的方向移动。

2．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，其中NH3只占15%，所以合成氨厂的产率都很低

B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说合成氨的产率很高

C．合成氨工业的反应温度控制在700 K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越大，产率越高，无需考虑设备、条件

解析：选B　合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但将生成的NH3分离出来后，再将未反应的N2、H2循环利用，经过这样的处理后，可使合成氨的产率提高，据此可知A项错误，B项正确；合成氨工业选择700 K左右的反应温度，是综合了多方面的因素确定的，合成氨反应的正反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论是从反应速率还是从化学平衡方面考虑，高压更有利于合成氨，但压强越大，对设备、动力的要求越高，故D项错误。

[分级训练·课课过关]_______________________________________________

1．下列有关合成氨工业的说法正确的是(　　)

A．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

B．恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成

C．工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可正向自发进行

D．工业合成氨的反应是熵减小的放热反应，在常温时可正向自发进行

解析：选D　A项，投料比为n(N2)∶n(H2)＝1∶2.8时，更有利于NH3的合成；B项，恒容条件下，充入稀有气体对平衡无影响；C、D项，ΔH－TΔS＜0时反应正向自发进行，而合成氨反应的ΔH＜0、ΔS＜0，故在常温条件下该反应能正向自发进行。

2．下列有关合成氨工业的说法中正确的是(　　)

A．铁做催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动

C．增大压强能缩短到达平衡状态所用的时间

D．合成氨采用的压强是2×107～3×107 Pa，因为该压强下铁催化剂的活性最高

解析：选C　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，因此升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B错误；增大压强加快反应速率，C正确；催化剂的活性取决于温度的高低，而非取决于压强的大小，D错误。

3．1913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。下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是(　　)

A．①②③  B．②④⑤

C．①③⑤  D．②③④

解析：选B　②④⑤操作均有利于合成氨化学平衡正向移动，从而提高原料转化率。

4.合成氨反应达到平衡时，NH3的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是(　　)

A．提高分离技术

B．研制耐高压的合成塔

C．研制低温催化剂

D．探索不用N2和H2合成氨的新途径

解析：选C　由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁的活性最高时的温度为 700 K，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

5．工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，其部分工艺流程如图所示：

反应体系中各组分的部分性质见下表：

回答：

(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：K＝________。随着温度升高，K________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)K越大，表明________(填字母)。

A．其他条件相同时N2的转化率越高

B．其他条件相同时NH3的产率越大

C．原料中N2的含量越高

D．化学反应速率越快

(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到________使________分离出来；继续循环的气体是________。

解析：(1)由化学方程式N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)可知，K＝，此反应的ΔH<0，说明正反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向左移动，c(NH3)减小，c(N2)和c(H2)增大，故K减小。(2)K越大，说明c(NH3)越大，c(N2)和c(H2)越小，说明反应进行的程度大，故其他条件相同时N2的转化率就越高，NH3的产率就越大。(3)根据气体的熔、沸点可知，氨气容易液化，使其分离可使平衡正向移动，剩余N2和H2循环使用，以提高产率。

答案：(1)　减小　(2)AB

(3)－33.42 ℃　氨　N2和H2