高二化学 合成氨条件的选择知识精讲 人教版第二册（通用）VIP

高二化学高二化学 合成氨条件的选择知识精讲合成氨条件的选择知识精讲 人教版第二册人教版第二册 【本讲教育信息本讲教育信息】 一. 教学内容： 合成氨条件的选择 二. 重点、难点 1. 使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论，选择合成氨 的适宜条件，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。 2. 了解合成氨工业生产的主要流程。 3. 向学生介绍我国解放后合成氨工业的发展情况，对学生进行爱国主义教育。 三. 具体内容 （一）原理 1 体积 3 体积 2 体积（正反应放热） 合成氨反应)(3)( 22 gHgNKJgNH4 .92)(2 3 分析角度 反应要求 外界条件 使氨生成得快 （从化学反应速率分析） 使氨生成得多 （从化学平衡分析） 压强（高压）（高压） 温度（高温）（低温） 是否要用催化剂（使用）（不影响） 唯物辩证法告诉我们：一切从实际出发，要全面地分析问题综合考虑化学反应速率 和化学平衡移动的条件，再根据工业生产的特点和实际需要，才能正确地选择合成氨工业 的适宜条件。 （二）适宜条件的选择 1. 压强。增大压强，有利于 3 NH的合成，但在实际生产中，压强不可能无限制的增大， 因为压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，势必增大生产 成本，降低综合经济效益。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国合成氨厂 一般采用的压强是MPaMPa5020。 2. 温度。合成氨为放热反应，低温有利于氨的生成。但是温度越低，反应速率越慢，到 达平衡所需要的时间越长，因而单位时间内产量低，这在工业生产中是很不经济的。综合 考虑各种因素，在实际生产上，采用 500的温度，此时催化剂的活性最大。 3. 催化剂。由于 2 N分子非常稳定， 2 N与 2 H的化合十分困难，即使采用了加热与高 压的条件，合成氨的反应还是十分缓慢。为了加快化合反应速率，降低反应所需要的能量， 合成氨工业普遍使用铁触媒作催化剂。 合成氨的化学反应原理可以用以下化学方程式表示： （三）综合分析： 1. 增加 2 N与 2 H的体积比，并不断分离出 3 NH，同时补充 2 N和 2 H的浓度。 2. 增大压强为设备钢板能承受的程度，一般为MPa20MPa50。 3. 由于催化剂活性的需要应掌握在 500。 【典型例题典型例题】 例 1 在某容积一定的密闭容器中，可逆反应：)()(gBgA)(gxC，符合下列图象 （I）所示关系。由此推断对图象（II）的正确说法是（ ） A. 43 pp ，Y 轴表示 A 的转化率 B. 43 pp ，Y 轴表示 B 的百分含量 C. 43 pp ，Y 轴表示混合气体的密度 D. 43 pp ，Y 轴表示混合气体的平均相对分子质量 c% T1P1 T1P2 T2P2 a b c t I II 解析：解析：依图（I）中，确定 P，看 T1、T2曲线，先拐说明先达到平衡，由此可知 21 TT ；同样确定 T，看 P1、P2曲线，由先拐先平，可知 12 PP ；再观察曲线与纵坐标 关系，可知当 Tc%，则平衡向左移动，正反应为放热反应，Pc%，则平衡向右移 动，2x，1x。由图（I）所得结论，分析图 II，可知 y 代表 A 的转化率，还可表示 混合气体的平均相对分子质量。 答案：答案：A、D 例 2 将 2 3Omol加入到 V 升的反应器中，在高温下放电，经st1建立了平衡体系： 2 3O 3 2O，此时测知 2 O的转化率为 30%，下列图象能正确表示气体的物质的量浓度 （m）跟时间（t）的关系的是（ ） t O2 O3 m O3 m O2 t t1 O3 t1 m O2 t O3 m O2 t1 t t O2 O3 m O3 m O2 t t1 O3 t1 m O2 t O3 m O2 t1 t A B t O2 O3 m O3 m O2 t t1 O3 t1 m O2 t O3 m O2 t1 t t O2 O3 m O3 m O2 t t1 O3 t1 m O2 t O3 m O2 t1 t C D 解析：解析：根据题意可知如下几点： （1）O2转化率为 30%。 （2）开始反应器中无 O3，经计算又可知)( 2 Oc，)( 3 Oc但平衡时)()( 32 OcOc， 则 A、B、D 错误。 答案：答案：C 例 3 在容积不同的密闭容器内，分别充入同量的 2 N和 2 H，在不同温度下，任其发生反 应： 22 3HN 3 2NH，并分别在 t 秒时测定其中 3 NH的体积百分含量，如图。 （1）A、B、C、D、E 五点中，尚未达到化学平衡状态的点是 。 （2）此可逆反应的正反应是 （反应） （填“放热”或“吸热” ） 。 （3）A、C 段的曲线是增函数，C、E 段曲线是减函数，试从反应速率和化学平衡的 角度说明理由： 。 解析：解析：首先弄懂此图的涵义，从 0C 是平衡前，由于正反应是放热反应，随反应进 行， 3 NH%，T 升高，从 CE 是平衡时，T 升高，平衡向移动， 3 NH%下降。 答案：答案： （1）A、B； （2）放热； （3）C 点生成 3 NH%最高，是平衡点，在 AC 段平衡前，CE 段升高温度， 3 NH%含量减少，正向放热，升温平衡逆向移动。 例 4 合成氨所用的 2 H可由煤与水反应制得，其中有一步反应为)()( 2 gOHgCO QgHgCO)()( 22 ，欲提高 CO 转化率可采用的方法有： 降低温度； 增加压强； 使用催化剂； 增大 CO 的浓度； 增大水蒸气的浓度；其中正确的组合是（ ） A. B. C. D. 只有 解析：解析：该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高 CO 的转化率，可设法使化 学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求，增加水蒸气的浓度，平衡向 正反应方向转动，CO 的转化率也可以增大；但若增加 CO 的浓度，平衡虽然向右移动，但 CO 的总量增大，其转化率反而减小，增大压强的使用催化剂的操作只能加快反应速率， 缩短达平衡的时间，而与平衡时 CO 的转化率无关。 答案：答案：B 例 5 下列事实不能用勒沙特列原理解释的是（ ） A. 加入催化剂有利于合成氨的反应 B. 高压有利于合成氨的反应 C. 500有利于合成氨的反应 D. 将混合气体中的氨气液化有利于合成氨反应 答案：答案：AC 解析：解析：合成氨的反应是一个气体体积缩小的放热反应，加压能使平衡向生成氨的方向 移动，升温不利于生成氨，但能使催化剂活性大，提高反应速率；将氨液化降低氨气浓度， 平衡向生成氨气方向移动；催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡的时间。 例 6 在一定条件下，合成氨反应到达平衡状态，此时，再进行如下操作，平衡不发生移 动的是（ ） A. 恒温、恒压时，充入 NH3 B. 恒温、恒容时，充入 N2 C. 恒温、恒压时，充入 He D. 恒温、恒容时，充入 He 解析：解析：在一定温度下，向平衡混合气体中加入不参与反应的气体，若体积未改变，则 对平衡无影响；若体积增大，则对平衡有影响，其影响情况与不加入该气体而增大体积时 对平衡的影响情况相同。 同时改变影响平衡的两个条件时，为使平衡移动情况变得有规律可循，一般需要设计 另外一条到达同一平衡状态的途径，即先只改变其中一个条件，再改变另一个条件。 该题需应用平衡移动原理对题给选项逐项分析。A 项，充入 NH3会改变 NH3的浓度， 对平衡有影响；为保持恒压，须增大体积，对平衡也有影响。为便于判断平衡移动的方向， 可这样设想：先在恒温、恒容下充入 NH3，这时由于 NH3的浓度增大，平衡会向 NH3分解 的方向移动；再在恒温下增大体积（即减小压强） ，使压强与原平衡相等，这时平衡也会向 NH3分解的方向移动所以，在恒温、恒压下充入 NH3，会使平衡向 NH3分解的方向移动。 B 项，在恒温、恒容下充入 N2，会使 N2的浓度增大、从而使平衡向生成 NH3的方向移动。 C 项，He 不参与化学反应，但在恒温、恒压下充入 He，必须引起体积增大，这如同减小 平衡混合气体的压强，平衡会向 NH3分解的方向移动。D 项，在恒温、恒容下充入 He， 由于平衡混合物中任一组分的浓度均未改变，所以平衡不移动。应选 D。 答案：答案：D 【模拟试题模拟试题】（答题时间：40 分钟） 一. 选择题（每小题有一个或两个选项符合题意） 1. 在 N2+3H2 2NH3（正反应为放热）的平衡体系中，保持温度不变，充入氩气， 使容器体积和压强均增大一倍，此时平衡将（ ） A. 不移动 B. 向正反应方向移动 C. 向逆反应方向移动 D. 不能确定是否移动 2. 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. B. C. D. 3. 在合成氨工业中，实现下列目的变化过程中与平衡移动无关的是（ ） A. 为增加 NH3的日产量，不断将 NH3分离出来 B. 为增加 NH3的日产量，使用催化剂 C. 为增加 NH3的日产量，采用 500左右的高温 D. 为增加 NH3的日产量而采用 21075107Pa 的压强 4. 在带有活塞的密闭容器中压入 5molH2和 5molN2，在某温度下经反应生成 2mol NH3， 若此时容器的压强不变，则容器体积是反应前的（ ） A. 2 倍 B. 1.5 倍 C. 0.8 倍 D. 0.5 倍 5. 合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为： CO+H2OCO2+H2（正反应为放热） ，要使 CO 转化率提高，可采用下列措施中的（ ） A. 增大水蒸气的浓度 B. 增大 CO 的浓度 C. 降低温度 D. 增大压强 6. 将含 1mol NH3的密闭容器 a 加热，部分 NH3分解，并达到平衡，此时 NH3的体积分 数是 x。若在该容器中加入 2mol NH3后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡时，设 此时 NH3的体积分数为 y，则 x 和 y 的正确关系是（ ） A. xy B. xy C. x= y D. xy 7. 在一定条件下，可逆反应 x（气）+3y（气）2z（气）达到平衡时，有 37.5的 y 转化为 z，有 25的 x 转化为 z。则起始时，充入容器中的 x 和 y 的物质的量之比为（ ） A. 1:3 B. 3:1 C. 3:2 D. 1:2 8. 在固定容积的密闭容器中，氮与氢合成氨的反应达到了平衡，此时容器中含有 0.1mol N2、0.3mol H2和 0.1mol NH3，若维持原来的条件，向该容器中再同时加入 0.1mol N2、0.3mol H2和 0.1mol NH3，则（ ） A. 正、逆反应速率同时增大，化学平衡不移动 B. 正、逆反应速率同时增大，混合气体中 NH3的体积分数增大 C. 正、逆反应速率同时增大，化学平衡向逆反应方向移动 D. 正、逆反应速率不变，化学平衡不移动 9. 下面是合成氨的简要流程示意图： 沿 X 路线回去的物质是（ ） A. N2和 H2 B. 催化剂 C. NH3 D. H2 10. 工业上用以合成氨的原料气氢气，来源之一是取自石油气，如用丙烷在一定条 件下与水反应：C3H8+H2OCO2+H2，按此原理 1mol 丙烷最多可制氨气约为（ ） A. 4mol B. 10mol C. 2.7mol D. 6.6mol 二. 填空题 11. 工业上合成氨的反应为 N2（气）+3H2（气）2NH3（气）反应放热 92.4kJ。 （1）使用铁触媒作催化剂是为了_。 （2）通常采用 2107Pa5107Pa 的压强，原因是_。 （3）选择 500左右的温度进行反应，是由于_。 （4）将生成的氨及时从混合气中分离出来，原因是_。 12. 在标准状况下，将 67.2L 氮气和 44.8L 氢气混合，在一定条件下使之反应合成氨气， 反应达到平衡时，测得反应后的混合气体中氨的体积分数为 30。 （1）平衡时反应混合物在标准状况下的总体积是_。 （2）平衡时混合气体中氮气的体积分数是 。 13. 合成氨工业采用高压条件进行反应；接触法制硫酸工业采用常压条件进行反应，其 理由是_。 三. 计算题 14. 将 N2和 H2按一定比例混合，在相同状况下其密度是 H2的 3.6 倍。取 0.5mol 该混合 气体充入密闭容器内，使之发生反应并在一定条件下达到平衡。已知反应达平衡后容器内 压强是相同条件下反应前压强的 0.76 倍。试求： （1）反应前混合气体中 N2和 H2的体积比； （2）达到平衡时混合气体中氨的物质的量； （3）平衡时 N2的转化率。 15. 在密闭容器中充入体积比为 1:3 的 N2、H2，平衡时测得混合气体中 NH3的体积分数 为 20，则此时容器内的压强与开始时的压强比是多少？ 16. 有平均式量为 8.5 的氢氮混合气体，通过合成塔后出来的混合气体的平均式量为 9.4，求 H2的转化率。 【试题答案试题答案】 一. 1. C 2. D 3. B、C 4. C 5. A、C 6. B 7. D 8. B 9. A 10. D 二. 11. （1）提高反应速率。 （2）该反应是一个气体体积数减小的反应，增大压强，有利于平衡向