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高中化学第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨说课ppt课件
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这是一份高中化学第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨说课ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识自主预习，反应特点，催化剂，反应速率，反应限度，转化率，合成氨的适宜条件，700K，∶28，关键能力情境探究等内容，欢迎下载使用。
1．结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。2．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
1．勒·夏特列原理(1)含义：如果改变平衡体系的一个条件(如温度、浓度或压强)，平衡将向减弱这个改变的方向移动。(2)注意：①勒·夏特列原理的适用对象是可逆过程。②化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变，而不是“抵消”外界条件的改变。2．K值的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度，不能预测反应达到平衡所需要的时间。当平衡常数数值大于105时，可以认为反应进行完全。
一、合成氨反应的限度1．反应原理N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml-1 ， ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1。
3．影响因素(1)外界条件：______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为______ 时平衡混合物中氨的含量最高。
练一练 已知298 K时，N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml-1，ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1，请通过计算说明298 K时合成氨反应能否正向自发进行？
[答案] ΔH－TΔS＝－92.2×103 J·ml-1－298 K×(－198.2 J·ml-1·K-1)＝－92.2×103 J·ml-1＋59 063.6 J·ml-1＝－33 136.4 J·ml-1＜ 0，即298 K时合成氨反应能正向自发进行。
二、合成氨反应的速率1．提高合成氨反应速率的方法
2．浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，由速率方程可知：______N2或H2的浓度，______NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
判一判 (正确的打“√”，错误的打“×”)(1)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。( )(2)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。( )(3)加入催化剂，对合成氨的正、逆反应的反应速率影响程度相同。( )
三、合成氨生产的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从__________和__________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的______，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
3．合成氨生产流程的三阶段
判一判 (正确的打“√”，错误的打“×”)(1)从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低。( )(2)合成氨厂采用的压强是2×107～3×107 Pa，因为在该压强下铁催化剂的活性最大。( )
数据分析：外界条件对合成氨反应的影响
工业生产中选择适宜生产条件的原则
1．压强一定时，升高温度，对氨的合成有何影响？
提示：压强一定，升高温度，氨的含量降低；反应速率增大。
2．温度一定时，增大压强，对氨的合成有何影响？
提示：温度一定，增大压强，氨的含量增大；反应速率增大。
3．已知：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·ml-1，K＝6.6×105(ml·L-1)-2，思考：(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。
提示：(1)为了加快化学反应速率，提高单位时间内NH3的产量。(2)在此温度时，催化剂的活性最大。
1．工业生产中选择适宜生产条件的原则：根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
2．工业生产中选择适宜生产条件的具体分析
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
D [本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。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．(双选)在一定条件下，对于在密闭容器中进行的合成氨的反应，下列说法正确的是( )A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)约为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大B．增加催化剂的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量C．反应达到平衡时，氢气和氨的浓度比一定为 3∶2D．分别用氮气和氢气来表示合成氨反应的反应速率时，数值大小不相同
AD [当氮气和氢气投料比约为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加催化剂的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；反应达到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；同一反应中，反应速率之比等于化学方程式中对应物质的系数之比，因氮气和氢气的系数不同，则反应速率的数值不同，D正确。]
[教材 化学与技术]合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。(1)化学家证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的过程，示意图如下：
下列说法正确的是______(填字母)。a．①表示N2、H2分子中均是单键b．该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的形成c．③→④需要吸收能量d．②→③需要吸收能量
(2)已知N2(g)＋O2(g)⥫⥬2NO(g) K(298 K)＝5×10-31；N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) K(298 K)＝4.1×106 ml-2·L2，请分析工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气与氧气反应固氮的原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
在298 K时，氮气与氢气反应的化学平衡常数的数值远远大于氮气与氧气反应的化学平衡常数的数值，氮气与氢气反应正向进行的程度大
(3)对于反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。
哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是______________________________________________________________ (提示：温度会影响催化剂的活性)。
在该条件下催化剂的活性最高，可以提高合成氨的化学
[解析] (1)N2分子中N原子之间是三键，H2分子中H原子之间是单键，a错误；由图示可知，②→③表示N≡N键和H－H键的断裂，③→④表示N－H键的形成，b正确；③→④是化学键的形成过程，释放能量，c错误；②→③是化学键的断裂过程，需要吸收能量，d正确。(2)平衡常数越大，化学反应向正反应方向进行的程度越大，即反应的限度越大，反应物的转化率越大。由所给数据可知，在298 K时，氮气与氢气反应的化学平衡常数的数值远远大于氮气与氧气反应的化学平衡常数的数值，因此，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气与氧气反应固氮。
(3)在工业生产中，注重的是生产效率，而化学反应速率决定了生产效率，哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是在该条件下催化剂的活性最高，可以提高合成氨的化学反应速率。
工业生产中选择适宜生产条件的分析思路(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。(3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施的下列措施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2×107～5×107 Pa的压强
B [把氨分离出来是减小反应产物浓度，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)利于反应向正反应方向进行，同时该反应是气体分子数减小的反应，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，与平衡无关。]
2．已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是( )A．加快通入尾气的速率B．用石灰水替代石灰乳C．适当补充O2D．使用合适的催化剂
C [通入尾气的速率加快，可能导致气体吸收不充分，尾气中NO和NO2去除率降低，A不符合题意；用石灰水替代石灰乳，溶液中溶质的物质的量减小，吸收效果变差，尾气中NO和NO2去除率降低，B不符合题意；适当补充O2，可将尾气中过量的NO氧化为NO2被吸收，从而提高尾气中NO和NO2去除率，C符合题意；使用催化剂只能加快反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高尾气中NO和NO2去除率，D不符合题意。]
3．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．c点处反应达到平衡B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大D．a点的正反应速率比b点的小
C [c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故 c点没有达到平衡，A项错误；t1和 t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故 d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；773 K>673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于 b点反应物浓度，因此 a点的正反应速率比 b点的大，D项错误。]
4．(双选)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1，在反应过程中，正反应速率的变化如图。下列说法正确的是( )
A．t1时升高了温度 B．t2时使用了催化剂C．t3时减小了压强 D．t4时降低了温度
BC [t1时正反应速率增大，随后逐渐减小，说明正反应速率大于逆反应速率，平衡正向移动，应为增大压强，A项错误；t2时，平衡不移动，说明正、逆反应速率同等程度增大，应使用了催化剂，B项正确；t3时正反应速率减小，随后逐渐增大，说明逆反应速率大于正反应速率，平衡逆向移动，为减小压强，C项正确；t4时正反应速率瞬间不变，然后减小，应为减小反应产物浓度，D项错误。]
5．(素养题)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·ml-1。已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：
(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是________________________________。(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是_______________________________________________________。(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)尾气中有SO2必须回收是为了___________________________。
常压、450 ℃、催化剂
在此温度下催化剂的活性最高
在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失
增大反应物O2的浓度，
(选择题只有一个选项符合题目要求)1．在合成氨时，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N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2 ⑦使用催化剂A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦ C．②⑤ D．②③⑤
课时分层作业(十六) 化学反应条件的优化——工业合成氨
C [①⑥平衡逆向移动，反应速率减小，氨的产率减小，不选；②⑤平衡正向移动，反应速率增大，氨的产率增大，选；③氨的产率减小，不选；④反应速率减小，不选；⑦氨的产率不变，不选。]
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．⑤
C [增大压强，平衡不移动；增大 CO浓度，平衡向右移动，但 CO转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO转化率不变；降低温度或增大水蒸气浓度，平衡均向右移动，CO转化率增大。]
3．某化学家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
B [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；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；冷却过程中采用热交换有助于节约能源，C正确；原料循环使用，可提高其利用率，D正确。]
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
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，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。]
5．将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)⥫⥬2NH3(g)＋CO2(g)。该条件下的平衡数据如下表，下列说法正确的是( )
A．该可逆反应达到平衡的标志之一是混合气体平均相对分子质量不变B．因该反应熵变ΔS大于0，焓变ΔH大于0，所以在低温下能正向自发进行C．达到平衡后，若在恒温下压缩容器体积，氨基甲酸铵固体的质量增加D．根据表中数据，计算15.0 ℃时的NH3平衡浓度为1.6 ml·L-1
C [根据化学方程式NH2COONH4(s)⥫⥬2NH3(g)＋CO2(g)可知，生成的气体的物质的量之比始终是2∶1，所以混合气体的平均相对分子质量始终不变，故不能作为达到平衡状态的判断依据，A项错误；从表中数据可以看出，随着温度升高，气体的总浓度增大，平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0；反应中固体变为气体，混乱度增大，ΔS＞0，根据ΔG＝ΔH－TΔS可知反应在高温下能正向自发进行，B项错误；压缩容器体积，气体压强增大，平衡逆向移动，氨基甲酸铵固体的质量增加，C项正确；反应中生成的氨和二氧化碳的浓度之比为2∶1，平衡气体总浓度为2.4×10-3ml·L-1，所以15 ℃时氨的平衡浓度为1.6×10-3ml·L-1，D项错误。]
6．1913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。下列所示是哈伯法的流程图，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
B [②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。]
7．氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一，其合成原理为N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1。Ⅰ．在密闭容器中，投入1 ml N2和3 ml H2在催化剂作用下发生反应：(1)测得反应放出的热量_______(填“小于”“大于”或“等于”)92.4 kJ。(2)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是_____；N2和H2的转化率比是_____。
(3)升高平衡体系的温度(保持体积不变)，平衡将_____(填“正向”“逆向”或“不”)移动，混合气体的平均相对分子质量________(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)当达到平衡时，充入氩气并保持压强不变，平衡将________(填“正向”“逆向”或“不”)移动。(5)若容器恒容、绝热，加热使容器内温度迅速升至原来的2倍，平衡将__________(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。达到新平衡后，容器内温度________(填“小于”“大于”或“等于”)原来的2倍。
Ⅱ．该反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1在一密闭容器中发生，如图是某一时间段反应速率与反应进程的关系曲线图。
(6)t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？t1________，t3____________，t4 ________。(7)下列时间段中，氨的百分含量最高的是_____(填字母)。A．0～t1 B．t2～t3 C．t3～t4 D．t4～t5
[解析] (1)合成氨是可逆反应，反应物不能完全转化，热化学方程式中的焓变是反应产物与反应物的能量差，1 ml N2和3 ml H2不能完全转化为NH3，测得反应放出的热量小于92.4 kJ。(2)由于起始反应物的物质的量之比与化学式前的系数之比相等为1∶3，当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是1∶3；N2和H2的转化率比是1∶1。(3)由于ΔH<0，反应放热，升高平衡体系的温度(保持体积不变)，平衡将逆向移动，气体的物质的量增大，混合气体的平均相对分子质量变小。
(4)当达到平衡时，充入氩气并保持压强不变，则体积增大，平衡将向气体分子数增加的方向移动，平衡将逆向移动。(5)若容器恒容、绝热，加热使容器内温度迅速升至原来的2倍，平衡将向吸热的方向移动即向左移动。平衡移动过程中吸收热量，达到新平衡后，容器内温度小于原来的2倍。
(6)由N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＜0，可知，该反应为放热反应，且为气体体积减小的反应，t1时正、逆反应速率均增大，且逆反应速率大于正反应速率，改变条件应为升温；t3时正、逆反应速率同等程度的增大，改变条件应为加入催化剂，t4时正、逆反应速率均减小，且逆反应速率大于正反应速率，改变条件应为减压。(7)随着反应的进行，生成的NH3逐渐增多，NH3的体积分数逐渐增大，反应达平衡时，NH3的体积分数最高，t1～t2和t4～t5时间段内，平衡都向逆反应方向移动，NH3的百分含量都减小，所以应是t0～t1时间段中NH3的百分含量最高。
(选择题有一个或两个选项符合题目要求)8．在一定条件下探究CH3OCH3的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)⥫⥬ CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH，测定结果如图所示。下列判断正确的是( )A．该反应的ΔH>0B．该反应伴随着副反应的发生C．工业上选择的较适宜温度为280～290 ℃D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的平衡产率
BC [由题图知，温度高于290 ℃时，随温度升高，CO的转化率、CH3OCH3的产率均降低，说明升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH＜0，A项错误；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；在280～290 ℃ 之间，CH3OCH3的产率较高，C项正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。]
9．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )
C [A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大 N2的量，会使正反应速率瞬间增大，逆反应速率瞬间不变，然后正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，直到新的平衡，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。]
10．已知合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，当反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在不同温度下，反应达到平衡时，得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如图所示。下列说法不正确的是( )
A．曲线a对应的反应温度最低B．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)＝K(Q)tb>taD．N点时c(NH3)＝0.2 ml·L-1，则N点的c(N2)∶c(NH3)＝1∶1
BC [ΔH<0，升高温度平衡逆向移动，氨的含量减小，而相同压强下曲线a对应NH3的体积分数最大，所以曲线a对应的反应温度最低，A项正确；K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，所以K(M)＝K(Q)，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，M点的温度低于N，所以K(M)>K(N)，B项错误；相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡时的时间越短，曲线c、b、a表示的温度依次降低，所以达到平衡消耗的时间：ta>tb>tc，C项错误；N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N2的平衡转化率是b，N2的起始浓度为a，
11．甲醇是一种重要的试剂，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)，在密闭容器中充入3 ml氢气和1 ml二氧化碳，测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图1所示：
试回答下列问题：(1)该反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。该反应平衡常数的表达式是 ，为了降低合成甲醇的成本可采用的措施是__________________________(任意写一条合理的建议)。(2)解释O～T0内，甲醇的体积分数变化趋势：_____________________________________________________________________________。(3)氢气在Q点的转化率________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氢气在W点的转化率；其他条件相同，甲醇在Q点的正反应速率________甲醇在M点的正反应速率。
未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大
1．结合生产实例，讨论化学反应条件的选择和优化，形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。2．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题。
1．勒·夏特列原理(1)含义：如果改变平衡体系的一个条件(如温度、浓度或压强)，平衡将向减弱这个改变的方向移动。(2)注意：①勒·夏特列原理的适用对象是可逆过程。②化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变，而不是“抵消”外界条件的改变。2．K值的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度，不能预测反应达到平衡所需要的时间。当平衡常数数值大于105时，可以认为反应进行完全。
一、合成氨反应的限度1．反应原理N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml-1 ， ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1。
3．影响因素(1)外界条件：______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动。(2)投料比：温度、压强一定时，N2、H2的体积比为______ 时平衡混合物中氨的含量最高。
练一练 已知298 K时，N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ·ml-1，ΔS＝－198.2 J·ml-1·K-1，请通过计算说明298 K时合成氨反应能否正向自发进行？
[答案] ΔH－TΔS＝－92.2×103 J·ml-1－298 K×(－198.2 J·ml-1·K-1)＝－92.2×103 J·ml-1＋59 063.6 J·ml-1＝－33 136.4 J·ml-1＜ 0，即298 K时合成氨反应能正向自发进行。
二、合成氨反应的速率1．提高合成氨反应速率的方法
2．浓度与合成氨反应速率之间的关系在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)，由速率方程可知：______N2或H2的浓度，______NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。
判一判 (正确的打“√”，错误的打“×”)(1)升高温度，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。( )(2)增大压强，对合成氨的正反应的反应速率影响更大。( )(3)加入催化剂，对合成氨的正、逆反应的反应速率影响程度相同。( )
三、合成氨生产的适宜条件1．合成氨反应适宜条件分析工业生产中，必须从__________和__________两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的________，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的______，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
3．合成氨生产流程的三阶段
判一判 (正确的打“√”，错误的打“×”)(1)从合成塔出来的混合气体，NH3的含量较小，所以生产氨的工厂的效率都很低。( )(2)合成氨厂采用的压强是2×107～3×107 Pa，因为在该压强下铁催化剂的活性最大。( )
数据分析：外界条件对合成氨反应的影响
工业生产中选择适宜生产条件的原则
1．压强一定时，升高温度，对氨的合成有何影响？
提示：压强一定，升高温度，氨的含量降低；反应速率增大。
2．温度一定时，增大压强，对氨的合成有何影响？
提示：温度一定，增大压强，氨的含量增大；反应速率增大。
3．已知：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·ml-1，K＝6.6×105(ml·L-1)-2，思考：(1)从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什么还需要使用催化剂？(2)试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。
提示：(1)为了加快化学反应速率，提高单位时间内NH3的产量。(2)在此温度时，催化剂的活性最大。
1．工业生产中选择适宜生产条件的原则：根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。
2．工业生产中选择适宜生产条件的具体分析
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
D [本题要求增大合成氨反应中氢气的转化率，即在不增加氢气的情况下改变条件，使平衡正向移动。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．(双选)在一定条件下，对于在密闭容器中进行的合成氨的反应，下列说法正确的是( )A．当氮气和氢气投料比(物质的量之比)约为1∶3时，达到平衡时氨的体积分数最大B．增加催化剂的接触面积，不可能提高合成氨工厂的年产量C．反应达到平衡时，氢气和氨的浓度比一定为 3∶2D．分别用氮气和氢气来表示合成氨反应的反应速率时，数值大小不相同
AD [当氮气和氢气投料比约为1∶3时，v(N2)∶v(H2)＝1∶3，两种原料的转化率相同，故达到平衡时氨的体积分数最大，A正确；增加催化剂的接触面积，加快反应速率，可以提高合成氨工厂的年产量，B错误；反应达到平衡时，H2和NH3的浓度比不一定为3∶2，C错误；同一反应中，反应速率之比等于化学方程式中对应物质的系数之比，因氮气和氢气的系数不同，则反应速率的数值不同，D正确。]
[教材 化学与技术]合成氨对人类的生存和发展有着重要意义，1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨，实现了人工固氮。(1)化学家证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的过程，示意图如下：
下列说法正确的是______(填字母)。a．①表示N2、H2分子中均是单键b．该过程表示了化学变化中包含旧化学键的断裂和新化学键的形成c．③→④需要吸收能量d．②→③需要吸收能量
(2)已知N2(g)＋O2(g)⥫⥬2NO(g) K(298 K)＝5×10-31；N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) K(298 K)＝4.1×106 ml-2·L2，请分析工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气与氧气反应固氮的原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
在298 K时，氮气与氢气反应的化学平衡常数的数值远远大于氮气与氧气反应的化学平衡常数的数值，氮气与氢气反应正向进行的程度大
(3)对于反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)，在一定条件下氨的平衡含量如下表。
哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是______________________________________________________________ (提示：温度会影响催化剂的活性)。
在该条件下催化剂的活性最高，可以提高合成氨的化学
[解析] (1)N2分子中N原子之间是三键，H2分子中H原子之间是单键，a错误；由图示可知，②→③表示N≡N键和H－H键的断裂，③→④表示N－H键的形成，b正确；③→④是化学键的形成过程，释放能量，c错误；②→③是化学键的断裂过程，需要吸收能量，d正确。(2)平衡常数越大，化学反应向正反应方向进行的程度越大，即反应的限度越大，反应物的转化率越大。由所给数据可知，在298 K时，氮气与氢气反应的化学平衡常数的数值远远大于氮气与氧气反应的化学平衡常数的数值，因此，工业上选用氮气与氢气反应固氮，而没有选用氮气与氧气反应固氮。
(3)在工业生产中，注重的是生产效率，而化学反应速率决定了生产效率，哈伯选用的条件是550 ℃、10 MPa，而非200 ℃、10 MPa，可能的原因是在该条件下催化剂的活性最高，可以提高合成氨的化学反应速率。
工业生产中选择适宜生产条件的分析思路(1)既要注意外界条件对反应影响的一致性，又要注意外界条件对反应影响的矛盾性。(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制。(3)既要注意理论上的需要，又要注意实际操作上的可能性。
1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，实施的下列措施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2×107～5×107 Pa的压强
B [把氨分离出来是减小反应产物浓度，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)利于反应向正反应方向进行，同时该反应是气体分子数减小的反应，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，与平衡无关。]
2．已知工业上常用石灰乳吸收尾气中的NO和NO2，涉及的反应为NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O、4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O。下列措施一定能提高尾气中NO和NO2去除率的是( )A．加快通入尾气的速率B．用石灰水替代石灰乳C．适当补充O2D．使用合适的催化剂
C [通入尾气的速率加快，可能导致气体吸收不充分，尾气中NO和NO2去除率降低，A不符合题意；用石灰水替代石灰乳，溶液中溶质的物质的量减小，吸收效果变差，尾气中NO和NO2去除率降低，B不符合题意；适当补充O2，可将尾气中过量的NO氧化为NO2被吸收，从而提高尾气中NO和NO2去除率，C符合题意；使用催化剂只能加快反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高尾气中NO和NO2去除率，D不符合题意。]
3．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．c点处反应达到平衡B．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同C．其他条件不变，773 K下反应至t1时刻，n(H2)比图中的d点的值要大D．a点的正反应速率比b点的小
C [c点是氢气和氨气物质的量相等的点，该点以后，氢气的量还在减少，氨气的量还在增加，故 c点没有达到平衡，A项错误；t1和 t2两个时刻反应均处于平衡状态，体系中各物质的物质的量不再变化，故 d、e两点氮气的物质的量相等，B项错误；773 K>673 K，工业合成氨为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的物质的量增大，C项正确；反应达到平衡前，a点反应物浓度大于 b点反应物浓度，因此 a点的正反应速率比 b点的大，D项错误。]
4．(双选)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1，在反应过程中，正反应速率的变化如图。下列说法正确的是( )
A．t1时升高了温度 B．t2时使用了催化剂C．t3时减小了压强 D．t4时降低了温度
BC [t1时正反应速率增大，随后逐渐减小，说明正反应速率大于逆反应速率，平衡正向移动，应为增大压强，A项错误；t2时，平衡不移动，说明正、逆反应速率同等程度增大，应使用了催化剂，B项正确；t3时正反应速率减小，随后逐渐增大，说明逆反应速率大于正反应速率，平衡逆向移动，为减小压强，C项正确；t4时正反应速率瞬间不变，然后减小，应为减小反应产物浓度，D项错误。]
5．(素养题)在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·ml-1。已知制SO3过程中催化剂是V2O5，它在400～500 ℃时催化效果最好。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)：
(1)根据化学原理综合分析，从化学反应速率和原料转化率角度分析，生产中应采取的条件是________________________________。(2)实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是_______________________________________________________。(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)尾气中有SO2必须回收是为了___________________________。
常压、450 ℃、催化剂
在此温度下催化剂的活性最高
在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，比起高压设备，得不偿失
增大反应物O2的浓度，
(选择题只有一个选项符合题目要求)1．在合成氨时，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N2和H2 ⑥恒温恒压，再充入N2 ⑦使用催化剂A．②④⑤⑦ B．②③④⑤⑦ C．②⑤ D．②③⑤
课时分层作业(十六) 化学反应条件的优化——工业合成氨
C [①⑥平衡逆向移动，反应速率减小，氨的产率减小，不选；②⑤平衡正向移动，反应速率增大，氨的产率增大，选；③氨的产率减小，不选；④反应速率减小，不选；⑦氨的产率不变，不选。]
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．⑤
C [增大压强，平衡不移动；增大 CO浓度，平衡向右移动，但 CO转化率降低；使用催化剂，平衡不移动，CO转化率不变；降低温度或增大水蒸气浓度，平衡均向右移动，CO转化率增大。]
3．某化学家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
B [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；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；冷却过程中采用热交换有助于节约能源，C正确；原料循环使用，可提高其利用率，D正确。]
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
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，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。]
5．将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)⥫⥬2NH3(g)＋CO2(g)。该条件下的平衡数据如下表，下列说法正确的是( )
A．该可逆反应达到平衡的标志之一是混合气体平均相对分子质量不变B．因该反应熵变ΔS大于0，焓变ΔH大于0，所以在低温下能正向自发进行C．达到平衡后，若在恒温下压缩容器体积，氨基甲酸铵固体的质量增加D．根据表中数据，计算15.0 ℃时的NH3平衡浓度为1.6 ml·L-1
C [根据化学方程式NH2COONH4(s)⥫⥬2NH3(g)＋CO2(g)可知，生成的气体的物质的量之比始终是2∶1，所以混合气体的平均相对分子质量始终不变，故不能作为达到平衡状态的判断依据，A项错误；从表中数据可以看出，随着温度升高，气体的总浓度增大，平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0；反应中固体变为气体，混乱度增大，ΔS＞0，根据ΔG＝ΔH－TΔS可知反应在高温下能正向自发进行，B项错误；压缩容器体积，气体压强增大，平衡逆向移动，氨基甲酸铵固体的质量增加，C项正确；反应中生成的氨和二氧化碳的浓度之比为2∶1，平衡气体总浓度为2.4×10-3ml·L-1，所以15 ℃时氨的平衡浓度为1.6×10-3ml·L-1，D项错误。]
6．1913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。下列所示是哈伯法的流程图，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
B [②④⑤操作均有利于合成氨的化学平衡向右移动，提高转化率。]
7．氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一，其合成原理为N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1。Ⅰ．在密闭容器中，投入1 ml N2和3 ml H2在催化剂作用下发生反应：(1)测得反应放出的热量_______(填“小于”“大于”或“等于”)92.4 kJ。(2)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是_____；N2和H2的转化率比是_____。
(3)升高平衡体系的温度(保持体积不变)，平衡将_____(填“正向”“逆向”或“不”)移动，混合气体的平均相对分子质量________(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)当达到平衡时，充入氩气并保持压强不变，平衡将________(填“正向”“逆向”或“不”)移动。(5)若容器恒容、绝热，加热使容器内温度迅速升至原来的2倍，平衡将__________(填“向左移动”“向右移动”或“不移动”)。达到新平衡后，容器内温度________(填“小于”“大于”或“等于”)原来的2倍。
Ⅱ．该反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml-1在一密闭容器中发生，如图是某一时间段反应速率与反应进程的关系曲线图。
(6)t1、t3、t4时刻，体系中分别是什么条件发生了变化？t1________，t3____________，t4 ________。(7)下列时间段中，氨的百分含量最高的是_____(填字母)。A．0～t1 B．t2～t3 C．t3～t4 D．t4～t5
[解析] (1)合成氨是可逆反应，反应物不能完全转化，热化学方程式中的焓变是反应产物与反应物的能量差，1 ml N2和3 ml H2不能完全转化为NH3，测得反应放出的热量小于92.4 kJ。(2)由于起始反应物的物质的量之比与化学式前的系数之比相等为1∶3，当反应达到平衡时，N2和H2的浓度比是1∶3；N2和H2的转化率比是1∶1。(3)由于ΔH<0，反应放热，升高平衡体系的温度(保持体积不变)，平衡将逆向移动，气体的物质的量增大，混合气体的平均相对分子质量变小。
(4)当达到平衡时，充入氩气并保持压强不变，则体积增大，平衡将向气体分子数增加的方向移动，平衡将逆向移动。(5)若容器恒容、绝热，加热使容器内温度迅速升至原来的2倍，平衡将向吸热的方向移动即向左移动。平衡移动过程中吸收热量，达到新平衡后，容器内温度小于原来的2倍。
(6)由N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH＜0，可知，该反应为放热反应，且为气体体积减小的反应，t1时正、逆反应速率均增大，且逆反应速率大于正反应速率，改变条件应为升温；t3时正、逆反应速率同等程度的增大，改变条件应为加入催化剂，t4时正、逆反应速率均减小，且逆反应速率大于正反应速率，改变条件应为减压。(7)随着反应的进行，生成的NH3逐渐增多，NH3的体积分数逐渐增大，反应达平衡时，NH3的体积分数最高，t1～t2和t4～t5时间段内，平衡都向逆反应方向移动，NH3的百分含量都减小，所以应是t0～t1时间段中NH3的百分含量最高。
(选择题有一个或两个选项符合题目要求)8．在一定条件下探究CH3OCH3的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)⥫⥬ CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH，测定结果如图所示。下列判断正确的是( )A．该反应的ΔH>0B．该反应伴随着副反应的发生C．工业上选择的较适宜温度为280～290 ℃D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的平衡产率
BC [由题图知，温度高于290 ℃时，随温度升高，CO的转化率、CH3OCH3的产率均降低，说明升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH＜0，A项错误；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；在280～290 ℃ 之间，CH3OCH3的产率较高，C项正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。]
9．对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是( )
C [A项，由于p1条件先达到平衡，故p1>p2，由p1→p2，减小压强，化学平衡左移，NH3的体积分数应降低，错误；B项，由于此反应ΔH<0，故升温平衡左移，N2的转化率降低，错误；C项，增大 N2的量，会使正反应速率瞬间增大，逆反应速率瞬间不变，然后正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，直到新的平衡，正确；D项，使用催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，错误。]
10．已知合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0，当反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在不同温度下，反应达到平衡时，得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如图所示。下列说法不正确的是( )
A．曲线a对应的反应温度最低B．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)＝K(Q)
BC [ΔH<0，升高温度平衡逆向移动，氨的含量减小，而相同压强下曲线a对应NH3的体积分数最大，所以曲线a对应的反应温度最低，A项正确；K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，所以K(M)＝K(Q)，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，M点的温度低于N，所以K(M)>K(N)，B项错误；相同压强下，投料相同，温度越高反应速率越快，达到平衡时的时间越短，曲线c、b、a表示的温度依次降低，所以达到平衡消耗的时间：ta>tb>tc，C项错误；N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N2的平衡转化率是b，N2的起始浓度为a，
11．甲醇是一种重要的试剂，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)，在密闭容器中充入3 ml氢气和1 ml二氧化碳，测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图1所示：
试回答下列问题：(1)该反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。该反应平衡常数的表达式是 ，为了降低合成甲醇的成本可采用的措施是__________________________(任意写一条合理的建议)。(2)解释O～T0内，甲醇的体积分数变化趋势：_____________________________________________________________________________。(3)氢气在Q点的转化率________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氢气在W点的转化率；其他条件相同，甲醇在Q点的正反应速率________甲醇在M点的正反应速率。
未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大
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