鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向导学案

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨

合成氨反应的限度

1．反应原理

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 　298 K时　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1   ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。

2．反应特点

(1)可逆反应，氮气分子结构稳定，对反应条件要求较高。

(2)由反应方程式中反应物和反应产物的系数关系可知，该反应是气体的物质的量减小的反应。

(3)根据ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol－1<0知，该反应是放热反应。

(4)根据ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1知，该反应是熵减小的反应。

(5)根据ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×(－198.2×10－3 kJ·K－1·mol－1)≈－33.1 kJ·mol－1<0，故该反应在298 K下可自发进行。

3．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。

合成氨反应的速率

1．浓度：在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)，由关系式可知，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。

2．催化剂：使用催化剂，可显著降低反应的活化能，使反应速率提高上万亿倍。

3．温度：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。

4．压强：压强越大，反应进行得越快。

合成氨的适宜条件

1．合成氨条件的选择原则

(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料。

(2)选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量。

(3)考虑设备和技术条件。

2．合成氨的适宜条件

1．下列有关合成氨工业的叙述，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．高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C．500 ℃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

答案　B

解析　催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。

2．合成氨工业上采用循环操作主要是因为(　　)

A．加快化学反应速率

B．能提高氨的平衡浓度

C．降低氨气的沸点

D．提高氮气和氢气的利用率

答案　D

3．关于工业合成氨的叙述中，错误的是(　　)

A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行

B．温度越高越有利于工业合成氨

C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本

D．及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动

答案　B

解析　合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。

4．对于可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应)，下列说法中正确的是(　　)

A．达到平衡后，加入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，逆反应速率减小

答案　C

解析　达到平衡后，加入N2，平衡正向移动，达到新平衡后，NH3的浓度会增大，而N2的浓度比原平衡的大；达到平衡后，升高温度，正、逆反应速率都增大，但平衡逆向移动，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，平衡正向移动，又有利于提高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。

5．合成氨反应通常控制在20～50 MPa的压强和500 ℃左右的温度，且进入合成塔的氮气和氢气的体积比为1∶3，经科学测定，在相应条件下氮气和氢气反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：

而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明(　　)

A．表中所测数据有明显误差

B．生产条件控制不当

C．氨的分解速率大于预测值

D．合成塔中的反应并未达到平衡

答案　D

解析　表中数据为通过科学实验所得，不可能有明显误差；合成氨连续操作，不可能对生产条件控制不当；平衡浓度问题与速率的大小没有直接关系，因此答案选D。这说明合成氨工业考虑单位时间的产量问题，并未让合成氨反应达到平衡，因为让反应达到平衡需要一定的时间，时间太长得不偿失。

6．已知可逆反应：aA(g)＋bB(？)cC(g)　ΔH＞0(B物质的状态未确定)。关于该反应的描述正确的是(　　)

A．加压若平衡正向移动，则a＞c

B．加入一定量的B，平衡一定正向移动

C．缩小容器的体积，各物质的浓度一定增大

D．升高温度，平衡一定正向移动，混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定

答案　D

解析　增加压强，对于反应前后气体的系数和变化的反应来说，会引起平衡的移动，但是B的状态不确定，所以系数大小无法判断，故A错误；加入一定量的B，若B是固体或液体，平衡不移动，故B错误；缩小容器的体积，对于固体物质来说，浓度不变，即缩小容器的体积，各物质的浓度不一定增加，故错误；升高温度，平衡一定向吸热方向移动，即正向移动，混合气体的平均摩尔质量等于质量和物质的量的比值，但是B的状态以及a、b、c不确定，所以混合气体的平均摩尔质量的变化不能确定，故D正确。

7．合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2  kJ·mol－1，K＝6.6×105 mol－2·L2。

(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是______________________________________。

(2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用700 K，不采用低温操作的理由是________________________________________。

(3)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因是

____________________________________________________________________。

答案　(1)为了加快化学反应速率，提高单位时间的产量

(2)温度低时反应速率小，单位时间内NH3的产量低

(3)温度升高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小，单位时间内NH3的产量低，并且在此温度时，催化剂的活性最大

探究　合成氨工业生产中选择适宜条件的基本思路

教材79页中有一段话：“选择合成氨生产的条件时，既不应片面地追求高转化率，也不应只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获取适当转化率的反应条件”，你如何理解这句话？

合成氨工业生产中选择适宜条件的基本思路

(1)从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变、反应的方向四个角度分析反应的特点。

(2)根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和限度的影响；从反应速率和限度的角度综合分析，再充分考虑实际情况，选择适宜的外界条件。

(3)工业生产中化学反应条件优化的理论依据

化学反应条件选择的基本原则

化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产中起着重要作用，在实际生产中应当运用对立统一规律，综合化学反应速率和化学平衡移动规律，既考虑反应进行的快慢，又考虑反应的限度，在这个过程中还要坚持以下三个原则：

(1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性——解决一定时间内的高产量问题。

(2)既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的要求。

(3)既要注意理论上的需要，又要考虑实际生产的可能性——技术设备以及工业利润问题。

1．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．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间，所以压强越大越好

D．合成氨采用的温度是700 K左右，因为在该温度下能适当提高氨的合成速率，且催化剂活性较强

答案　D

解析　催化剂可以改变反应速率，但不能使平衡发生移动，只能缩短反应达到平衡所需的时间，A项错误；升高温度可以加快反应速率，但合成氨反应是放热反应，升高温度不利于化学平衡向合成氨的方向移动，B项错误；增大压强，反应速率加快，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，C项错误；合成氨反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率降低，但反应速率加快，同时要考虑催化剂的活性温度，D项正确。

2．合成氨工业对化学工业和国防工业具有重要意义。工业合成氨生产示意图如图所示。

(1)X的化学式为______________。

(2)图中条件选定的主要原因是________(填字母编号)。

A．温度、压强对化学平衡的影响

B．铁触媒在该温度时活性大

C．工业生产受动力、材料、设备等条件的限制

(3) 改变反应条件，会使平衡发生移动。如图表示随条件改变，氨气的百分含量的变化趋势。当横坐标为压强时，变化趋势正确的是________，当横坐标为温度时，变化趋势正确的是________(填字母编号)。

答案　(1)NH3　 (2)BC　(3)c　a

解析　(1)原料气N2和H2经一定条件下的反应，生成的NH3(X)冷却后从设备中分离出来，同时尾气中含有的N2和H2(Y)进行循环利用。

(2)图中温度选择在500 ℃并不是从化学平衡的影响分析的，而是因为催化剂在此温度时活性大，而且还可以适当提高化学反应速率，压强选择20～50  MPa是从化学平衡理论分析的，压强增大，平衡向生成NH3的方向移动，但不能过大，因为压强过大，对设备、材料的要求高，投资大，这样就不经济。

(3)考查压强、温度对化学平衡的影响。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．在其他条件不变的情况下，能使合成氨反应进行程度增大的方法是(　　)

A．升高温度 B．减小压强

C．使用催化剂 D．及时分离出氨气

答案　D

解析　合成氨的反应是放热反应，且反应前后气体体积减小。升高温度，会使平衡向吸热的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，A项不符合题意；减小压强，平衡会向气体体积增大的逆反应方向移动，使合成氨反应进行程度减小，B项不符合题意；使用催化剂，平衡不移动，合成氨反应进行程度不发生变化，C项不符合题意；及时分离出氨气，减小反应产物浓度，平衡正向移动，能使合成氨反应进行程度增大，D项符合题意。

2．合成氨工业中，常加热至500 ℃，对比下列有关叙述，正确的是(　　)

A．为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间

B．加快正反应速率，减小逆反应速率

C．使平衡向合成氨的方向移动

D．提高原料转化率

答案　A

解析　加热至500 ℃，可以加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，故A正确；加热至500 ℃，正、逆反应速率都会加快，不会出现加快v正、减小v逆的情况，故B错误；该反应为放热反应，温度升高，反应向逆反应方向移动，故C错误；该反应为放热反应，温度越低，反应越向着正向移动，原料的转化率越高，所以500 ℃不利于提高原料的转化率，故D错误。

3．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，下列选项中采取的措施都正确的是(　　)

A．升高温度，降低压强，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

答案　D

解析　要想使合成氨反应中氢气的转化率增大，就需要在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，使更多的氢气转化为氨，这就要求化学平衡向正反应方向移动。先分析温度的影响，合成氨是放热反应，从理论上分析应采用尽可能低的温度，A、C中升高温度是错误的。合成氨是一个气态物质系数减小的反应，所以增大压强会使平衡向正反应方向移动。增加反应物(N2)浓度或减小反应产物(NH3)浓度，会使平衡向正反应方向移动，D正确。加入催化剂可提高反应速率，但对平衡移动无影响，B错误。

4．在特定条件下，合成氨反应的速率与有关物质的浓度存在关系式v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3)，为加快反应速率而采取的下列措施中不正确的是(　　)

A．增大N2和H2的浓度 B．升高温度

C．使用催化剂 D．增大NH3的浓度

答案　D

解析　由速率关系式可知，增大N2和H2的浓度，减小NH3的浓度，可加快反应速率；而升高温度、使用催化剂均可加快反应速率。

5．合成氨的反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2  kJ·mol－1，下列说法正确的是(　　)

A．升高温度有利于提高氮气的转化率

B．一定条件下，取3 mol氢气和1 mol氮气放在密闭容器中进行反应，放出的热量为92.2 kJ

C．增加反应体系中氢气的量，化学平衡常数不改变，但可以提高氮气的转化率

D．使用催化剂有助于改变化学平衡常数K，提高氨的产率

答案　C

解析　反应放热，升高温度使平衡逆向移动，氮气的转化率降低；由于该反应是可逆反应，反应物不可能完全转化为反应产物，故3 mol氢气和1 mol氮气反应时，放出的热量小于92.2 kJ；增加氢气的量，平衡正向移动，氮气的转化率提高，但对于一个给定的化学反应，化学平衡常数K只受温度的影响；使用催化剂不能改变化学平衡常数K，氨的产率不变。

6．一定条件下，合成氨反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0%，与反应前的体积相比，反应后体积缩小的百分率是(　　)

A．16.7% B．20.0%

C．80.0% D．83.3%

答案　A

解析　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔV

   2     2

设反应后气体总体积为V，V(NH3)＝ΔV＝0.2V，则反应前的体积为V＋ΔV＝1.2V，反应后体积缩小的百分率是×100%≈16.7%。

7．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。据图分析，则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

答案　C

解析　由图可知，φ(NH3)随着温度的升高而显著下降，故要提高φ(NH3)必须降低温度，但目前所用的催化剂——铁触媒，其活性较好时的温度在700 K左右，所以合成氨工业最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

8．下列有关工业合成氨的叙述中正确的是(　　)

A．温度升高，有利于提高合成氨的反应速率

B．工业上选择合适的条件，可以使氮气全部转化为氨

C．合成氨反应平衡的移动受温度、浓度、压强等因素的影响

D．使用铁触媒，可以使氮气和氢气转化率明显增大

答案　AC

解析　温度升高，化学反应速率增大，A正确。任何可逆反应都是有限度的，无论选择怎样的条件，氮气也不会完全转化为氨，B错误。降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动；增大反应物的浓度，减小反应产物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，工业生产就是不断向合成塔中送入氮气和氢气，并将生成的氨分离出去；压强越大越有利于平衡向生成氨的方向移动，但增大压强要受到设备的制约，C正确。使用催化剂可以显著提高化学反应速率，但不影响化学平衡，不能增大转化率，D错误。

9．CO和NO都是汽车尾气中的有害物质，它们之间能缓慢发生反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH<0，现利用此反应，拟设计一种环保装置，用来消除汽车尾气对大气的污染，下列设计方案可以提高尾气处理效果的是(　　)

A．提高装置温度 B．选用适当的催化剂

C．装置中放入碱石灰 D．降低装置的压强

答案　BC

解析　选用适当催化剂虽不能提高反应物的转化率，但能加快反应速率；因为该反应的正反应为放热反应，所以升高温度，平衡向逆反应方向移动；该反应的正反应为气体分子数减小的反应，因此降低压强，能使平衡向逆反应方向移动；装置中放入碱石灰能吸收CO2，使CO2的浓度降低，平衡向正反应方向移动。

10．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%，所以合成氨工厂的效率都很低

B．由于氨易液化，容易分离，N2、H2在实际生产中可循环使用，所以总体来说氨的产率较高

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．合成氨工厂采用铁触媒，是为了提高反应物的转化率

答案　B

解析　合成氨反应在适宜的生产条件下达到平衡时，虽然原料的转化率不高，但将生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，可使氨的产率提高，因为忽视了工业生产中采取了循环操作而错选A；合成氨工业选择700 K左右的温度，主要是从反应速率和催化剂活性两方面考虑，忽视了合成氨反应正向放热，低温才有利于平衡向正反应方向移动而错选C；忽视了催化剂不能使平衡移动而错选D。

11．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)

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B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B以提高A和B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，因为生产中使用催化剂可提高M的日产量

答案　D

解析　压强的选择要综合考虑多种因素，不一定采用高压条件；加入过量B只能提高A的转化率，B的转化率降低；温度升高，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；使用催化剂可降低反应的活化能，提高反应速率。

三、非选择题(本题共3小题)

12．合成氨、尿素工业生产过程中涉及的物质转化过程如图所示：

(1)天然气在高温、催化剂作用下与水蒸气反应生成H2和CO的化学方程式为________________________________________________________________。

(2)在合成氨生产中，将生成的氨及时从反应后的气体中分离出来。运用化学平衡的知识分析这样做是否有利于氨的合成，说明理由：

________________________________________________________________。

(3)如图为合成氨反应在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下，初始氮气、氢气的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的体积分数。

①若分别用vA(NH3)和vB(NH3)表示从反应开始至达平衡状态A、B时的化学反应速率，则vA(NH3)________(填“>”“<”或“＝”)vB(NH3)。

②在相同温度下，当压强由p1变为p3时，合成氨反应的化学平衡常数________(填“变大”“变小”或“不变”)。

③在250 ℃、1.0×104 kPa下，H2的转化率为________(计算结果保留小数点后一位)。

答案　(1)CH4＋H2OCO＋3H2

(2)移走氨气，减小反应产物浓度，平衡右移，有利于氨的合成

(3)①<　②不变　③66.7%

解析　(1)根据反应物和反应产物，利用原子守恒，可书写化学反应方程式。

(2)合成氨的反应为可逆反应，不断分离出NH3，减小了反应产物NH3的浓度，有利于化学平衡向正反应方向移动，提高原料的转化率。

  (3)①B对应压强较大温度较高，A对应压强较小温度较低，压强越大温度越高，反应速率越大，故vA(NH3)<vB(NH3)。

②对于一个可逆反应，平衡常数只与温度有关，故压强改变平衡常数不变。

③由图像可知，该条件下NH3的体积分数为50%。N2与H2的体积分数之和为50%。由于配比符合反应比，故反应过程中N2与H2的体积比始终为1∶3，H2的体积分数为50%×＝37.5%。设反应后气体的总物质的量为n，则反应的氢气的物质的量为＝0.75n；剩余氢气的物质的量为n×37.5%＝0.375n，H2的转化率为×100%≈66.7%。

13．在硫酸工业中，通过下列反应将SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　 ΔH＝－197.8 kJ·mol－1(已知制备SO3过程中的催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好)。

不同温度和压强下SO2的平衡转化率如表所示。

(1)从理论上分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可采取的措施是________________________________________________________________。

(2)实际生产中采用400～500 ℃作为操作温度，除考虑反应速率因素外，还考虑到____________________________________________________________。

(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是

________________________________________________________________

________________________________________________________________。

(4)在生产中，通入过量空气的目的是

________________________________________________________________。

(5)尾气中的SO2必须回收的原因是________________________________________________________________。

答案　(1)降温、加压、增大O2浓度

(2)在此温度下催化剂的活性最高

(3)在常压下450 ℃时，SO2的平衡转化率(97.5%)就已经很高了，若采用高压，平衡虽正向移动，但效果并不明显，比起高压设备的高额造价，得不偿失

(4)增大反应物O2的浓度，提高SO2的平衡转化率

(5)防止污染环境

解析　从提高反应速率角度考虑，合成SO3需要加入催化剂、升温和加压；从增大反应物(SO2)的转化率角度考虑，合成SO3需降温、加压、通入过量空气；从表中数据和设备材料的要求以及催化剂的活性方面综合考虑，选择最适宜的工业生产条件。SO2是一种污染性气体，所以在反应结束后需进行尾气处理，以减少对环境的污染。

14．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。据报道，在常温、常压和光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。相应的热化学方程式如下：

N2(g)＋3H2O(l)===2NH3(g)＋O2(g)ΔH＝＋765.2 kJ·mol－1

(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化的示意图，并进行必要标注。

(2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡状态时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总物质的量之比)为。

计算：

①该条件下N2的平衡转化率(结果保留3位有效数字)；

②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数。

答案　(1)如下图所示

(2)①设反应过程消耗x mol N2，则有

　　　　　N2(g)＋　3H2(g)　2NH3(g)

  0.60     1.60         0

  0.60－x  1.60－3x     2x

平衡时反应体系总物质的量＝(0.60－x) mol＋(1.60－3x) mol＋2x mol＝(2.20－2x) mol, NH3的物质的量分数＝＝，解得x＝0.40, N2的平衡转化率＝×100%≈66.7%。

②平衡时，c平(NH3)＝＝0.40 mol·L－1，

c平(N2)＝＝0.10 mol·L－1，

c平(H2)＝＝0.20 mol·L－1。

K＝

＝

＝5.0×10－3 mol2·L－2。

解析　(1)催化剂能改变反应历程，降低反应的活化能，使反应容易发生。注意抓住两个要点：①使用催化剂时活化能降低而过程阶段增多，催化剂可降低反应的活化能，但对该反应前后能量变化并不产生任何影响；②该反应为吸热反应，所以反应物的总能量要低于反应产物的总能量。