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          考點30合成氨條件的選擇
          1．復(fù)習(xí)重點
          1．如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。  

          2.了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。
          2．難點聚焦
          1．合成氨條件的選擇
          工業(yè)上用N2和H2合成氨：
              N2+3H2       2NH3+Q
            從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面看，選擇什么樣的操作條件才有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本呢？
              從速率看，溫度高、壓強(qiáng)大（即N2、H2濃度大）都會提高反應(yīng)速率；
              從化學(xué)平衡看，溫度低、壓強(qiáng)大都有利于提高N2和H2的轉(zhuǎn)化率。
              可見，壓強(qiáng)增大，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實際考慮，壓強(qiáng)越大，需要的動力越大，對材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求越高，將使成本增大。故一般合成氨廠采用的壓強(qiáng)是20~50MPa帕斯卡。
          而溫度升高，有利于反應(yīng)速率但不利于N2和H2的轉(zhuǎn)化率。
          如何在較低的溫度下保持較大轉(zhuǎn)化率的情況下，盡可能加快反應(yīng)速率呢？選用合適的催化劑能達(dá)到這個目的。那么，較低的溫度是低到什么限度呢？不能低于所用催化劑的活性溫度。目前使用的催化劑是以鐵為主體的多成分催化劑――又稱鐵觸媒。其活性溫度為450℃~550℃，即溫度應(yīng)在450~550℃為宜。將來如制出活性溫度更低、活性也很在的新型催化劑時，合成氨使用的溫度當(dāng)然比現(xiàn)在要低，轉(zhuǎn)化率就能更高了。
          選擇適宜的條件：根據(jù)N2+3H2         
2NH3+Q這一反應(yīng)的特點，運用化學(xué)反應(yīng)速
          率和化學(xué)平衡的理論來選擇適宜條件。該反應(yīng)為可逆、體積減小、正反應(yīng)為放熱等特點。
          （1）適宜的壓強(qiáng)：為何強(qiáng)調(diào)適宜？壓強(qiáng)越大、有利于NH3的合成，但太大，所需動力大，材料強(qiáng)度高，設(shè)備制造要求高，成本提高，選擇2×107~5×107Pa壓強(qiáng)。
          思考：工業(yè)上生產(chǎn)H2SO4：2SO2(g)+O2(g)    2SO3(g)為何不采用加壓方法？（因為在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已達(dá)91%，不需要再加壓）
          （2）適宜的溫度：溫度越低越有利于NH3的合成，為何還要選擇5000C高溫？因為溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)平衡時間長，單位時間產(chǎn)量低，另外5000C時，催化劑活性最大。
          （3）使用催化劑
          （4）及時分離出NH3，并不斷補(bǔ)充N2和H2（N2要過量，提高成本較高的H2轉(zhuǎn)化率）
           
          小結(jié)：合成氨的適宜條件：
               壓強(qiáng)：20~50MPa帕斯卡
               溫度：500℃左右
           催化劑：鐵觸媒
           
          2．合成氨工業(yè)簡述
          


          
 
          
  
  
          
   
          
    
    
          
    
          蒸發(fā)
          


          
 
          
  
  
          
   
          
    
    
          
    
          壓縮
          物理方法： 空氣     
液態(tài)空氣         
N2 
          


          
 
          
  
  
          
   
          
    
    
          
    
          （去CO2）
          燃燒
          炭
          


          
 
          
  
 
          
 
          
  
  
  
          
   
          
    
    
          
    
          H2O
          ②制H2：
          


          
 
          
  
  
          
   
          
    
    
          
    
          （去CO2）
          催化劑
           赤熱炭
           
          


          
 
          
  
  
            
   
            
    
    
            
    
            催化劑 
            


            
 
            
  
 
            
 
            
  
  
  
              

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                 △
               
              注意：制得的N2、H2需要凈化，清除雜質(zhì)，以防止催化劑“中毒”。
              2.合成氨反應(yīng)的特點
                  化學(xué)反應(yīng)：N2+3H2 2NH3  ;  △H=-92.4KJ/mol
                （1）可逆反應(yīng)； （2）正反應(yīng)是放熱反應(yīng)； （3）正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。
              3．工業(yè)合成氨適宜條件的選擇
              在實際生產(chǎn)中，需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面情況，以確定最佳的生產(chǎn)條件。
              4. 圖示合成氨的原理
              


              
 
              
  
 
              
 
              
  
  
 
              

              

 
               
               
               
               
               
               
               
               
              3．例題精講
              例1 下列說法，能夠用勒沙特列原理來解釋的是（    ）
              A.    
加入催化劑可以提高單位時間氨的產(chǎn)量
              B.     
高壓有利于氨的合成反應(yīng)
                 C.  500℃高溫比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)
                 D.  恒溫恒容下，在合成氨平衡體系中充入He，使壓強(qiáng)增大，則平衡正向移動，NH3增多
              [解析]
               A. 加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的時間，提高“單位時間”的產(chǎn)量，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動。注意：催化劑能相同倍數(shù)地改變正、逆反應(yīng)速率，故而不改變化學(xué)平衡狀態(tài)。
              B. 合成氨是一個氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)，使平衡正方向移動，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。
              C. 因為合成氨是一個放熱反應(yīng)，所以從化學(xué)平衡移動角度分析，應(yīng)采用較低溫度。500℃高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動。采用500℃既考慮到溫度對速率的影響，更主要的是500℃左右催化劑活性最大。
              D. 恒溫恒容下充He，惰性氣體He不與N2、H2、NH3反應(yīng)。雖總壓強(qiáng)增大了，實際上平衡體系各成分濃度不變（即分壓不變）所以平衡不移動，NH3的產(chǎn)量不變。
              [答案] B
              [點評]
               勒沙特列原理是說改變影響平衡的一個條件，平衡就向能夠減弱這種改變的方法移動。不要混淆影響速率的條件和影響平衡的條件。
              例2：合成氨工業(yè)中，原料氣(N2，H2及少量的CO，NH3的混合氣)在進(jìn)入合成塔前常用乙酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來吸收原料氣中CO，其反應(yīng)為：
              [Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac?CO；△H<0
              (1)必須除去原料氣中CO的原因是什么？
              (2)吸收CO的生產(chǎn)適宜條件是什么？
              (3)吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，再生的適宜條件是什么？
              [解析] 
              合成氨工業(yè)中要使用催化劑，某些物質(zhì)會使催化劑的活性降低甚至消失，從而發(fā)生催化劑中毒。故必須除去原料氣中CO。根據(jù)吸收原料氣中CO的反應(yīng)方程式：
              [Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac?CO；△H<0
              可知，加壓和采取較低的溫度可使平衡向正反應(yīng)方向移動，有利于CO的吸收。要使吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當(dāng)處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，只要使平衡向逆反應(yīng)方向移動即可。
              答案：(1)防止催化劑中毒；(2)低溫、高壓；(3)高溫、低壓。
              [點評] 在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，適宜生產(chǎn)條件的選擇需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面因素。
              例3溫度、催化劑不變，向某一固定體積的密閉容器內(nèi)按下列各組物質(zhì)的量加入H2、N2、NH3，反應(yīng)達(dá)平衡時；氨氣濃度最大的一組是（   ）
               
              A
              B
              C
              D
              H2
              6
              1
              3.5
              5
              N2
              2
              0
              1
              1.5
              NH3
              0
              4
              2
              1
               [分析]    2NH3       N2＋ 3H2.根據(jù)反應(yīng)“一邊倒”換算.
              
     B      0       2    6＋1＝7
              
                    C      0       2    3＋3.5＝6.5
              
     D      0       2    1.5＋5＝6.5
              
    由此可知，符合題意的是B.
              [解答] B
              [小結(jié)] 可逆反應(yīng)，在條件相同時（等溫等容），若達(dá)到等同平衡，其初始狀態(tài)必須能互變，從極限角度看，就是各物質(zhì)的物質(zhì)的量要相當(dāng).因此可以采用一邊倒的原則來處理以下問題：
              
    （1）化學(xué)平衡等同條件（等溫等容）
              
        
aA(g)＋bB(g)    cC(g)
              
    ①始  a      b       
0   平衡態(tài)Ⅰ
              
    ②始  0      0        c   平衡態(tài)Ⅱ
              
    ③始  x      y       
z   平衡態(tài)Ⅲ
              
    為了使平衡Ⅲ ＝Ⅱ＝Ⅰ
              
    根據(jù)“一邊倒”原則，即可得
              
    x＋z＝a           
＋＝1
              
    y＋z＝b           
＋＝1
              例4合成氨工廠常通過測定反應(yīng)前后混合氣體的密度來確定氮的轉(zhuǎn)化率。某工廠測得合成塔中N2、H2混合氣體的密度為0.5536g/L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，從合成塔中出來的混合氣體在相同條件下密度為0.693g/L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。求該合成氨廠N2的轉(zhuǎn)化率。
              [解析]
              由于題目中沒有告訴起始物質(zhì)的量，也沒有說明N2、H2是按化學(xué)方程式中物質(zhì)的計量數(shù)投放物料，因此部分學(xué)生就假設(shè)N2為1molH2為3mol，進(jìn)行解題，依據(jù)是不足的。故本題解答時只能設(shè)反應(yīng)前混合氣體中氮氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為x，氫氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為(1-x)，依題意得：
              28x+2(1-x)=0.5536×22.4
              設(shè)起始有氮氣2mol，氫氣為3mol，氮氣轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為y，
              N2　 +　 3H2　
　　2NH3
              起始物質(zhì)的量　　　　2mol　　　 3mol　　　　　　 0mol
              轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量　　　　ymol　　　 3ymol　　　　　 2ymol
              平衡物質(zhì)的量　　　  2-ymol　   3-3ymol　　　　 2ymol
              n總=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol
              根據(jù)反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒可知
              解得　 y=0.5mol
              [答案]25%
              [點評] 
              本題是一道化學(xué)平衡綜合計算題，考查學(xué)生綜合計算的解題能力。正確的計算方法應(yīng)是先由兩種混合氣體的密度，分別計算出反應(yīng)前后兩種混合氣體的平均式量，由氫氨混合氣的平均式量求出反應(yīng)氣體中氫氣、氮氣的體積比，再按合成氨化學(xué)反應(yīng)中有關(guān)起始，轉(zhuǎn)化、平衡物質(zhì)的量的關(guān)系及平衡時混合氣體的平均式量，從而求出氮氣的轉(zhuǎn)化率。
               
               
               
               
               
               
               
              4．實戰(zhàn)演練
              一、選擇題
              1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來解釋的是       （      ）
              A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨
              B．高壓比低壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)
              C．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)
              D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率
              

              試題詳情
              

              2．對于可逆反應(yīng)：N2(g)
+ 3H2(g) 


                1. 
 
                  
  
  
                  
   
                  
    
    
                  
    
                   
                  A．達(dá)到平衡時，NH3的生成速率等于NH3的分解速率
                  B．達(dá)到平衡時，反應(yīng)物和生成物的濃度一定相等
                  C．達(dá)到平衡時，若加入N2，在重新達(dá)平衡時，NH3的濃度比原平衡時增大，H2的濃度比原平衡時減小
                  D．達(dá)到平衡時，若升高溫度，加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)方向移動
                  

                  試題詳情
                  

                  3．工業(yè)上合成氨時一般采用500℃左右的溫度，其原因是             
（      ）
                  ⑴適當(dāng)提高氨的合成速率       ⑵提高H2的轉(zhuǎn)化率
                  ⑶提高氨的產(chǎn)率              
⑷催化劑在500℃時活性最大
                  A．只有⑴            
B．⑴⑵          
C．⑵⑶⑷         
D．⑴⑷
                  

                  試題詳情
                  

                  4．將H2和N2的混合氣體通入合成塔中，經(jīng)過1個小時達(dá)到平衡，此時N2、H2、NH3的濃度分別為3、7、4（單位均為mol/L），則以下敘述正確的          （       ）
                  

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                  ①N2的反應(yīng)速率為2mol/(L?h) ②H2的反應(yīng)速率為7 mol/(L?h) ③H2的起始濃度為13mol/L④N2起始濃度為2 mol/L ⑤H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%
                  A．①②        B．②⑤        C．①③⑤        D．②④
                  

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                    5．有平衡體系：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，工廠應(yīng)采取的正確措施是                              （     ）
                  A.高溫、高壓           
B.適宜溫度、高壓、催化劑
                  C.低溫、低壓           
D.低溫、高壓、催化劑
                  

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                  6．二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g) N2O4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。在測定NO2的相對分子質(zhì)量時，下列條件中較為適宜的是                   （      ）
                  

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                  A、溫度130℃、壓強(qiáng)3.03×105Pa         
B、溫度25℃、壓強(qiáng)1.01×105Pa
                  

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                  C、溫度130℃、壓強(qiáng)5.05×104Pa         
D、溫度0℃、壓強(qiáng)5.05×104Pa
                  

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                  7．在N2 +3H2   2NH3的平衡體系中，當(dāng)分離出NH3時，下列說法中正確的是（      ）
                  A．正反應(yīng)速率增大                        
B．平衡向逆反應(yīng)方向移動
                  C．正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率             
D．逆反應(yīng)速率先變小后變大 
                  

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                  8．合成氨所需的氫氣由煤和水發(fā)生反應(yīng)制得，其中一步反應(yīng)為：
                  

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                  CO + H2O(g)  CO2 + H2(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。要使CO轉(zhuǎn)化率提高，（      ）
                  A．增大H2O(g)的濃度            
B．增大CO的濃度
                  C．降低溫度                     
D．增大壓強(qiáng)
                  

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                  二、填空題
                  1．一定溫度下某密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)：N2
+3H22NH3
，達(dá)平衡后
                  ①保持容器體積一定，通入N2，平衡               
移動。
                  ②保持容器體積一定，通入Ar，平衡               
移動。
                  ③保持容器壓強(qiáng)一定，通入Ar，平衡               
移動。
                  ④保持容器體積一定，通入N2、H2、NH3，使?jié)舛榷甲優(yōu)樵瓉淼?倍，平衡        
移動。
                  

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                  2．在一定條件下，1molN2和3molH2混合后反應(yīng)，達(dá)到平衡時測得平衡混合物的密度是同溫同壓下氫氣的5倍，則氮氣的轉(zhuǎn)化率是          
。若在同一個容器中，在相同的溫度下，向容器中充入NH3，為使達(dá)到平衡時各成分的百分含量與上述平衡時相同，則起始時充入的NH3的物質(zhì)的量為          
。
                  

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                  三、計算題
                  恒溫下，將amolN2與bmolH2的混合氣體通入一個固定容積的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
                  （1）若反應(yīng)進(jìn)行到某時刻t時，nt（N2）=13mol，nt（NH3）=6mol，計算a的值。
                   
                   
                   
                   
                  

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                  （2）反應(yīng)達(dá)平衡時，混合氣體的體積為716.8L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），其中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）為25%。計算平衡時NH3的物質(zhì)的量。
                   
                   
                   
                   
                  （3）原混合氣體與平衡混合氣體的總物質(zhì)的量之比（寫出最簡整數(shù)比，下同），n（始）∶n（平）=               
。
                  （4）原混合氣體中，a∶b=               
。
                  （5）達(dá)到平衡時，N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比，α（N2）∶α（H2）=              
。
                  （6）平衡混合氣體中，n（N2）∶n（H­2）∶n（NH3）=                 
。
                  

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                  一、選擇題
                  1.  BD 2. A  3. D  4. C  5. B  6. C  7. CD  8. AC
                  二、填空題
                  1.向右、不、向左、向右
                  2.30％、 2mol
                  三、計算題
                  （1）a=16  （2）8mol 
（3）5：4 
（4）2：3