暑假新高二预习第7讲 合成氨工业条件的优化
一 合成氨反应的限度、速率
【基础梳理】 思考：
1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)≒2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol－
1；ΔS＝－198.2 J·mol－
1·K－
1。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K
下合成氨反应能否自发进行？
2．利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
3．利用条件对反应速率的影响分析。
(1)利用使用催化剂来提高合成氨反应的速率。
(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N－
2)c1.5(H2)c1(NH3)，根据关系式分析：
①各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成 ，与氨气浓度的1次方成 。 ②可以采取增大 浓度，将 及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。
(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比
说明了使用
[归纳总结]
使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件
[即时练习]
1．能使合成氨反应进行程度增大的方法是( ) A．升高温度 B．降低压强 C．使用催化剂
D．及时分离出氨气
2．合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是( ) A．尽可能延长反应时间 B．通入过量的N2 C．通入过量的H2 D．升高温度 3．可以判断化学平衡发生移动的是( ) A．正、逆反应速率的改变 B．加入催化剂 C．增大压强
D．反应转化率的改变
4．一定量的混合气体，在密闭容器中发生如下反应：xA(g)＋yB(g)zC(g)，达到平衡后测得A气体的浓度为0.5 mol·L－
1，当恒温下将密闭容器的容积扩大到2
倍再达到平衡后，测得A的浓度为0.2 mol·L－
1，则下列叙述不正确的是( )
A．平衡向正反应方向移动 B．x＋y
C．C的体积分数降低
D．B的转化率提高
5．在恒容密闭容器中，进行合成氨反应，达到平衡后，将平衡体系中的各物质的浓度都增加到原来的2倍，则产生的结果是( ) A．平衡向正反应方向移动 B．平衡向逆反应方向移动 C．平衡不发生移动
D．氨的质量分数减小
二 合成氨的适宜条件
【基础梳理】
工业合成氨对各种外界条件选择的原因 1．压强：高压50-70MPa
理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以 反应速率，又能使平衡 向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际 2．温度：700K
理由：(1)因为正反应方向是 的反应，所以 温度有利于平衡正向移动。 (2)达到平衡所需要的时间越，因此温度也不宜太低。
(3)催化剂要在一定温度下
3．浓度：N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料，氨及时从混合气中分离出去 理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为1∶2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨 ；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。 4．催化剂：使用铁触媒作催化剂
理由:实际生产中选用 为主体的多成分催化剂(铁触媒)，催化剂的使用会______化学反应速率，原料的利用率________，但是单位时间的产量要______，该催化剂在 时活性最高。 [归纳总结] 合成氨的适宜条件
1．合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是( )
A．低温、高压、催化剂 B．高温、高压
C．尽可能的高温、高压 D．适宜的温度、高压、催化剂
2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是( )①不断将NH3分离出来 ②使用催化剂 ③采用700 K左右的高温 ④采用2×107～5×107 Pa的压强
A．①④ B．②③ C．①③ D．②④
3．在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中氨的体积分数为25%，若反应前后条件不变，则反应后缩小的体积与原反应物体积的比值为( ) A．1/5 B．1/4 C．1/3 D．1/2
4．在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在673 K时分别建立平衡，四种情况下H2的转化率由大到小的顺序是____________。 ①1 mol N2＋3 mol H2 ②2 mol N2＋3 mol H2 ③1 mol N2＋4 mol H2 ④1 mol N2＋4 mol H2＋0.5 mol NH3 【考点训练】
1．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
2．将110 mL N2和130 mL H2在一定条件下合成氨，当达到平衡时混合气体的总体积变为200 mL，则生成氨气( )
A．10 mL B．20 mL C．30 mL D．40 mL
3．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增大水蒸气浓度 A．若温度不变将容器的容积增大1倍，达到新平衡时A的浓度变为原来的0.45倍，则m＋n>p＋q
B．若平衡时,A、B的转化率相等，说明反应开始时,A、B的物质的量之比为m:n A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．⑤
4．对可逆反应4NH3(g)＋5O2(g)≒4NO(g)＋6H2O(g)，下列叙述正确的是( ) A．反应达到平衡时，若两种反应物的转化率相等，则起始投入的
n(NH3)∶n(O2)＝4∶5
B．反应达到平衡后，对体系一直进行加压，平衡总是逆向移动
C．反应达到平衡时，若向压强固定的密闭容器中充入稀有气体，平衡不移动 D．当v正(NH3)∶v正(NO)＝1∶1时，说明该化学反应已经达到平衡
5．已建立化学平衡的某可逆反应，当条件改变使化学平衡向正反应方向移动时，下列叙述正确的是( )
①生成物的质量分数一定增加 ②生成物产量一定增加 ③反应物的转化率一定增大 ④反应物的浓度一定降低 ⑤正反应速率一定大于逆反应速率 ⑥一定使用催化剂 A．①②③ B．③④⑤ C．②⑤ D．④⑥
6．一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应：S2Cl2(浅黄色)＋Cl2(g)≒2SCl2(鲜红色) ΔH＝－51.16 kJ·mol－
1
下列说法正确的是( )
A．达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深
B．单位时间内生成n mol S2Cl2，同时生成2n mol SCl2时，反应达到平衡状态 C．达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅
D．单位时间内有n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2时，平衡向正反应方向移动
7．对于平衡体系：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，下列判断正确的是( )
C．若升高平衡体系的温度，达到新平衡时A的浓度变为原来的0.55倍，说明该反应ΔH
D．若温度不变,压强增大到原来的2倍,达到新平衡时,总体积一定等于原体积的1
2
8．可逆反应A(g)＋BC(g)＋D达到平衡时，下列说法不正确的是( ) A．若增大A的浓度，平衡体系颜色加深，D不一定是具有颜色的气体 B．增大压强，平衡不移动，说明B、D必是气体
C．升高温度，C的百分含量减小，说明正反应是放热反应 D．若B是气体，增大A的浓度会使B的转化率增大 9．在一定条件下，xA＋yBzC的可逆反应达到平衡：
(1)已知A、B、C都是气体，在减压后平衡向逆反应方向移动，则x、y、z的关系是____________。
(2)已知C是气体，且x＋y＝z，在加压时，如果平衡发生移动，则平衡必向__________方向移动(填“正反应”或“逆反应”)。
(3)已知B、C是气体，现增加A的物质的量(其他条件不变)，平衡不移动，则A是________态。
(4)加热后C的质量分数减少，则正反应是____热反应(填“吸”或“放”)。
10．在密闭容器中，通入a mol N2和b mol H2，在一定条件下达到平衡，容器中还剩余c mol N2。
(1)生成NH3的物质的量为______________。 (2)H2的平衡转化率为______________。
(3)若把容器的体积缩小一半，则正反应速率________(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率________，N2的转化率________。
11．在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3∶1∶1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4，则此时氮气的转化率为( )
A．10% B．20% C．15% D．30% 12．下面是合成氨的简易流程示意图：
沿x路线回去的物质是( )
A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2
13．在密闭容器内，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：N2(g)＋3H2(g)≒2NH3(g) ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol－
1
(1)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度之比为________。
(2)保持体积不变，升高温度，平衡________(填“正向”、“逆向”或“不”，下同)移动，密度________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
(3)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氩气，平衡______移动。 (4)当反应达到平衡时，保持温度、压强不变，充入氩气，平衡________移动。 (5)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氮气，平衡________移动；氢气的转化率________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
14．在硫酸工业中，通过下列反应使SO催化剂2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)△2SO3 (g) ΔH＝－198 kJ·mol－
1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)
(1)________________。
(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________________________________________。 15．在一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比1∶3的N2和H2。开始时体积相同，达到平衡时两容器中N2的转化率比较( ) A．a大 B．b大 C
．a、b一样大 D．无法判断
16．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、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。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105 Pa、反应时间3 h)：
N(g)＋3H3－
22O(l)===2NH3(g)＋2O2(g) ΔH＝765.2 kJ·mol1
回答下列问题：
(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示意图，并进行必要标注。
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：__________________________________。 (3)工业合成氨的反应为N3H高温、高压2(g)＋2(g)催化剂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时，NH3的物质的量分数(NH4
3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)7。计算：
①该条件下N2的平衡转化率；
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数。
暑假新高二预习第7讲 合成氨工业条件的优化
一 合成氨反应的限度、速率
【基础梳理】 思考：
1．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)≒2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol－
1；ΔS＝－198.2 J·mol－
1·K－
1。请根据正反应的焓变和熵变分析298 K
下合成氨反应能否自发进行？
2．利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
3．利用条件对反应速率的影响分析。
(1)利用使用催化剂来提高合成氨反应的速率。
(2)实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应中各物质浓度的关系为v＝kc(N－
2)c1.5(H2)c1(NH3)，根据关系式分析：
①各物质的浓度对反应速率的影响是合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气浓度的1.5次方成 ，与氨气浓度的1次方成 。 ②可以采取增大 浓度，将 及时从混合气中分离出去的措施来提高反应速率。
(3)有、无催化剂对合成氨反应速率影响的对比
说明了使用
[归纳总结]
使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件
[即时练习]
1．能使合成氨反应进行程度增大的方法是( ) A．升高温度 B．降低压强 C．使用催化剂
D．及时分离出氨气
2．合成氨反应中，可以提高N2转化率的措施是( ) A．尽可能延长反应时间 B．通入过量的N2 C．通入过量的H2 D．升高温度 3．可以判断化学平衡发生移动的是( ) A．正、逆反应速率的改变 B．加入催化剂 C．增大压强
D．反应转化率的改变
4．一定量的混合气体，在密闭容器中发生如下反应：xA(g)＋yB(g)zC(g)，达到平衡后测得A气体的浓度为0.5 mol·L－
1，当恒温下将密闭容器的容积扩大到2
倍再达到平衡后，测得A的浓度为0.2 mol·L－
1，则下列叙述不正确的是( )
A．平衡向正反应方向移动 B．x＋y
C．C的体积分数降低
D．B的转化率提高
5．在恒容密闭容器中，进行合成氨反应，达到平衡后，将平衡体系中的各物质的浓度都增加到原来的2倍，则产生的结果是( ) A．平衡向正反应方向移动 B．平衡向逆反应方向移动 C．平衡不发生移动
D．氨的质量分数减小
二 合成氨的适宜条件
【基础梳理】
工业合成氨对各种外界条件选择的原因 1．压强：高压50-70MPa
理由：合成氨反应是正反应气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以 反应速率，又能使平衡 向移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际 2．温度：700K
理由：(1)因为正反应方向是 的反应，所以 温度有利于平衡正向移动。 (2)达到平衡所需要的时间越，因此温度也不宜太低。
(3)催化剂要在一定温度下
3．浓度：N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料，氨及时从混合气中分离出去 理由：增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为 时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量之比为1∶2.8时，更能促进氨的合成。实际生产中的处理方法：及时将气态氨 ；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。 4．催化剂：使用铁触媒作催化剂
理由:实际生产中选用 为主体的多成分催化剂(铁触媒)，催化剂的使用会______化学反应速率，原料的利用率________，但是单位时间的产量要______，该催化剂在 时活性最高。 [归纳总结] 合成氨的适宜条件
1．合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，在合成氨工业生产中应采取的适宜条件是( )
A．低温、高压、催化剂 B．高温、高压
C．尽可能的高温、高压 D．适宜的温度、高压、催化剂
2．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是( )①不断将NH3分离出来 ②使用催化剂 ③采用700 K左右的高温 ④采用2×107～5×107 Pa的压强
A．①④ B．②③ C．①③ D．②④
3．在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中氨的体积分数为25%，若反应前后条件不变，则反应后缩小的体积与原反应物体积的比值为( ) A．1/5 B．1/4 C．1/3 D．1/2
4．在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在673 K时分别建立平衡，四种情况下H2的转化率由大到小的顺序是____________。 ①1 mol N2＋3 mol H2 ②2 mol N2＋3 mol H2 ③1 mol N2＋4 mol H2 ④1 mol N2＋4 mol H2＋0.5 mol NH3 【考点训练】
1．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
2．将110 mL N2和130 mL H2在一定条件下合成氨，当达到平衡时混合气体的总体积变为200 mL，则生成氨气( )
A．10 mL B．20 mL C．30 mL D．40 mL
3．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增大水蒸气浓度 A．若温度不变将容器的容积增大1倍，达到新平衡时A的浓度变为原来的0.45倍，则m＋n>p＋q
B．若平衡时,A、B的转化率相等，说明反应开始时,A、B的物质的量之比为m:n A．①②③ B．④⑤ C．①⑤ D．⑤
4．对可逆反应4NH3(g)＋5O2(g)≒4NO(g)＋6H2O(g)，下列叙述正确的是( ) A．反应达到平衡时，若两种反应物的转化率相等，则起始投入的
n(NH3)∶n(O2)＝4∶5
B．反应达到平衡后，对体系一直进行加压，平衡总是逆向移动
C．反应达到平衡时，若向压强固定的密闭容器中充入稀有气体，平衡不移动 D．当v正(NH3)∶v正(NO)＝1∶1时，说明该化学反应已经达到平衡
5．已建立化学平衡的某可逆反应，当条件改变使化学平衡向正反应方向移动时，下列叙述正确的是( )
①生成物的质量分数一定增加 ②生成物产量一定增加 ③反应物的转化率一定增大 ④反应物的浓度一定降低 ⑤正反应速率一定大于逆反应速率 ⑥一定使用催化剂 A．①②③ B．③④⑤ C．②⑤ D．④⑥
6．一定条件下，在可变容积的密闭容器中进行下列可逆反应：S2Cl2(浅黄色)＋Cl2(g)≒2SCl2(鲜红色) ΔH＝－51.16 kJ·mol－
1
下列说法正确的是( )
A．达到平衡时，抽出少量氯气，反应混合液颜色变深
B．单位时间内生成n mol S2Cl2，同时生成2n mol SCl2时，反应达到平衡状态 C．达平衡时，降低温度，混合液的颜色将变浅
D．单位时间内有n mol Cl2被还原，同时氧化生成n mol Cl2时，平衡向正反应方向移动
7．对于平衡体系：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，下列判断正确的是( )
C．若升高平衡体系的温度，达到新平衡时A的浓度变为原来的0.55倍，说明该反应ΔH
D．若温度不变,压强增大到原来的2倍,达到新平衡时,总体积一定等于原体积的1
2
8．可逆反应A(g)＋BC(g)＋D达到平衡时，下列说法不正确的是( ) A．若增大A的浓度，平衡体系颜色加深，D不一定是具有颜色的气体 B．增大压强，平衡不移动，说明B、D必是气体
C．升高温度，C的百分含量减小，说明正反应是放热反应 D．若B是气体，增大A的浓度会使B的转化率增大 9．在一定条件下，xA＋yBzC的可逆反应达到平衡：
(1)已知A、B、C都是气体，在减压后平衡向逆反应方向移动，则x、y、z的关系是____________。
(2)已知C是气体，且x＋y＝z，在加压时，如果平衡发生移动，则平衡必向__________方向移动(填“正反应”或“逆反应”)。
(3)已知B、C是气体，现增加A的物质的量(其他条件不变)，平衡不移动，则A是________态。
(4)加热后C的质量分数减少，则正反应是____热反应(填“吸”或“放”)。
10．在密闭容器中，通入a mol N2和b mol H2，在一定条件下达到平衡，容器中还剩余c mol N2。
(1)生成NH3的物质的量为______________。 (2)H2的平衡转化率为______________。
(3)若把容器的体积缩小一半，则正反应速率________(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率________，N2的转化率________。
11．在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3∶1∶1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9∶3∶4，则此时氮气的转化率为( )
A．10% B．20% C．15% D．30% 12．下面是合成氨的简易流程示意图：
沿x路线回去的物质是( )
A．N2和H2 B．催化剂 C．N2 D．H2
13．在密闭容器内，使1 mol N2和3 mol H2混合发生下列反应：N2(g)＋3H2(g)≒2NH3(g) ΔH(298 K)＝－92.2 kJ·mol－
1
(1)当反应达到平衡时，N2和H2的浓度之比为________。
(2)保持体积不变，升高温度，平衡________(填“正向”、“逆向”或“不”，下同)移动，密度________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
(3)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氩气，平衡______移动。 (4)当反应达到平衡时，保持温度、压强不变，充入氩气，平衡________移动。 (5)当反应达到平衡时，保持温度、体积不变，充入氮气，平衡________移动；氢气的转化率________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
14．在硫酸工业中，通过下列反应使SO催化剂2氧化成SO3：2SO2(g)＋O2(g)△2SO3 (g) ΔH＝－198 kJ·mol－
1。下表为不同温度和压强下SO2的转化率(%)
(1)________________。
(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________________________________________。 15．在一定温度下，在恒压容器a和恒容容器b中，分别充入体积比1∶3的N2和H2。开始时体积相同，达到平衡时两容器中N2的转化率比较( ) A．a大 B．b大 C
．a、b一样大 D．无法判断
16．科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、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。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105 Pa、反应时间3 h)：
N(g)＋3H3－
22O(l)===2NH3(g)＋2O2(g) ΔH＝765.2 kJ·mol1
回答下列问题：
(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示意图，并进行必要标注。
(2)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议：__________________________________。 (3)工业合成氨的反应为N3H高温、高压2(g)＋2(g)催化剂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时，NH3的物质的量分数(NH4
3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)7。计算：
①该条件下N2的平衡转化率；
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数。