02
預習導學
自主梳理
一、合成氨反應的限度
1.反應原理
已知在298 K 時，N2(g)+3 H2(g)?2 NH3(g) 的△H=?92.2 kJ?ml?1 ，△S=?198.2 J?K?1?ml?1 。
2.反應特點

① ② ③ ④ ⑤ ⑥
3.有利于合成氨的條件
a.外界條件：⑦ 溫度、⑧ 壓強，有利于化學平衡向生成氨的方向移動。
b.投料比：溫度、壓強一定時，N2 、H2 的體積比為⑨ 時平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反應的速率
1.提高合成氨反應速率的方法
① ② ③ ④
2.濃度與合成氨反應速率之間的關(guān)系
在特定條件下，合成氨反應的速率與參與反應的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v=kc(N2)?c1.5(H2)?c?1(NH3) ，由反應速率與參與反應的物質(zhì)濃度的關(guān)系式可知：⑤ N2 或H2 的濃度，⑥ NH3 的濃度，都有利于提高合成氨反應的速率。
三、合成氨生產(chǎn)的適宜條件
1.合成氨反應適宜條件分析
（1）選擇合成氨生產(chǎn)條件時，既不能片面地追求高① ，也不應只追求高② ，而應該尋求③ 的反應條件。
（2）考慮原料的④ 、未轉(zhuǎn)化的合成氣（氮氣和氫氣）的⑤ 、⑥ 的綜合利用等。
2.合成氨的適宜條件
【答案】
一、2.① 可逆 ② 減小 ③ ＜ ④ ＜ ⑤ ＜ ⑥ 能 3.a.⑦ 降低 ⑧增大 b.⑨ 1:3 。
二、1.① 升高 ② 增大 ③ 增大 ④ 催化劑 2.⑤ 增大 ⑥ 減小
三、1.（1）① 轉(zhuǎn)化率 ② 反應速率 ③ 以較高的反應速率獲取適當轉(zhuǎn)化率
（2）④ 價格 ⑤ 循環(huán)使用 ⑥ 反應熱 。2.（1）⑦ 700 K ⑧ 1:2.8 ⑨ 鐵
預習檢測
1．已知反應2NH3?N2+3H2，在某溫度下的平衡常數(shù)為0.25，在此條件下，氨的合成反應N2+3H2?2NH3的平衡常數(shù)為
A．4B．2C．1D．0.5
【答案】A
【解析】反應2NH3?N2+3H2，在某溫度下的平衡常數(shù)為0.25，在此條件下，其逆反應的平衡常數(shù)，故選A。
2．下列關(guān)于硫酸工業(yè)和合成氨工業(yè)說法錯誤的是
A．都采用了高壓B．都使用了催化劑
C．生產(chǎn)流程中都有造氣和凈化D．都使用了熱交換器
【答案】A
【解析】A．硫酸工業(yè)采用了催化劑加熱條件，合成氨工業(yè)采用高溫、高壓、催化劑作用下反應，故A錯誤；
B．硫酸工業(yè)使用五氧化二釩作催化劑，合成氨工業(yè)使用鐵觸媒作催化劑，故B正確；
C．生產(chǎn)流程中都有造氣和凈化，防止雜質(zhì)使催化劑中毒，降低催化效果，故C正確；
D．兩個工業(yè)產(chǎn)生都是放熱反應，兩者都使用了熱交換器，將放出的熱量對原料進行熱處理，可以降低成本，故D正確。
綜上所述，答案為A。
3．在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，通過下列反應使SO2氧化成SO3： 2SO2(g) +O2(g) 2SO3(g) ΔH= -196.6kJ/ml。下 表列出了在不同溫度和壓強下，反應達到平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率
從化學反應速率、化學平衡及生產(chǎn)成本、產(chǎn)量等角度綜合分析，在實際生產(chǎn)中有關(guān)該反應適宜條件選擇的說法正確的是
A．SO2的轉(zhuǎn)化率與溫度成反比，故采用盡可能低的溫度
B．該反應在450℃左右、1MPa (常壓)下進行較為合適
C．SO2的轉(zhuǎn)化率與壓強成正比，故采用盡可能高的壓強
D．為了提高的SO2的轉(zhuǎn)化率，應使用合適的催化劑
【答案】B
【解析】A．由表格數(shù)據(jù)可知，SO2的轉(zhuǎn)化率與溫度成反比，降低溫度平衡向正反應方向移動，但反應速率減小，不利于提高SO2的產(chǎn)量，故A錯誤；
B．在1MPa、450℃時SO3的平衡轉(zhuǎn)化率（97.5%）就已經(jīng)很高了，若繼續(xù)增大壓強，平衡雖正向移動，但效果并不明顯，比其高壓設備的高額造價，得不償失，故B正確；
C．由表格數(shù)據(jù)可知，SO2的轉(zhuǎn)化率與壓強成正比，但采用高壓，平衡雖正向移動，但效果并不明顯，比其高壓設備的高額造價，得不償失，故C錯誤；
D．催化劑不能改變SO2的平衡轉(zhuǎn)化率，故D錯誤；
故選B。
4．下列關(guān)于化學反應的調(diào)控措施說法不正確的是
A．硫酸工業(yè)中，為使黃鐵礦充分燃燒，可將礦石粉碎
B．硝酸工業(yè)中，氨的氧化使用催化劑是為了增大反應速率，提高生產(chǎn)效率
C．合成氨工業(yè)中，為提高氮氣和氫氣的利用率，采用循環(huán)操作
D．對于合成氨的反應，如果調(diào)控好反應條件，可使一種反應物的轉(zhuǎn)化率達到100%
【答案】D
【解析】A．硫酸工業(yè)中，將礦石粉碎可以增大反應物的接觸面積，有利于黃鐵礦的充分燃燒，故A正確；
B．硝酸工業(yè)中，氨的氧化使用催化劑，可以降低反應的活化能，增大反應速率，提高生產(chǎn)效率，故B正確；
C．合成氨工業(yè)中，分離出液氨的混合氣體中含有的氮氣和氫氣采用循環(huán)操作，有利于提高氮氣和氫氣的利用率，故C正確；
D．合成氨反應為可逆反應，可逆反應不可能完全反應，所以調(diào)控反應條件不可能使反應物的轉(zhuǎn)化率達到100%，故D錯誤；
故選D。
5．關(guān)于工業(yè)合成NH3的說法中不正確的是
A．適當加壓可提高氨的產(chǎn)率
B．加入催化劑可以加快反應速率
C．選擇400-500℃是因該溫度下氨的平衡產(chǎn)率最高
D．將含N2和H2的原料氣循環(huán)使用可以提高原料的轉(zhuǎn)化率
【答案】C
【解析】合成氨的反應為： 。
A．合成氨是氣體體積減小的反應，適當增加壓強平衡正向移動，可提高氨的產(chǎn)率，A正確；
B．加入催化劑可以加快反應速率，B正確；
C．對于放熱反應而言溫度越低氨的平衡產(chǎn)率更高，選擇400-500℃是綜合考慮該溫度下反應速率和氨的產(chǎn)率，C錯誤；
D．將含N2和H2的原料氣循環(huán)使用可以提高原料的轉(zhuǎn)化率，D正確；
故選C。
6．德國化學家哈伯發(fā)明了以低成本制造氨的方法，大大滿足了當時日益增長的人口對糧食的需求。下列是哈伯法的流程圖，其中為提高原料平衡轉(zhuǎn)化率而采取的措施是
A．①②③④B．②③④C．②④⑤D．②⑤
【答案】C
【解析】合成氨的反應是氣體體積減小的、放熱的可逆反應。凈化干燥的目的是提高產(chǎn)物純度，不能提高轉(zhuǎn)化率，①不符合；催化劑只改變反應速率，不影響平衡狀態(tài)，不能提高轉(zhuǎn)化率，③不符合；而②④⑤操作均使合成氨反應平衡向正反應方向移動，均能提高反應轉(zhuǎn)化率；故選C。
探究提升
03
?環(huán)節(jié)一 工業(yè)合成氨適宜條件的選擇
【情境材料】
自1784年發(fā)現(xiàn)氨以后，人們一直在研究如何利用化學方法由氮氣和氫氣合成氨，但直到1913年才實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)過研究人員的努力，幾十年后建造了日產(chǎn)氨1 000噸的大型裝置。
【問題探究】
1．工業(yè)生產(chǎn)中增大壓強既可提高反應速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？為什么？
2．既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？為什么？
3．從工業(yè)合成氨的工藝流程圖中可知，工業(yè)合成氨時為什么要通過冷卻及時分離出液氨？
4．催化劑對化學平衡移動沒有影響，為什么在合成氨工業(yè)中要使用催化劑？
【答案】1．不是。因為溫度一定時，增大混合氣體的壓強對合成氨的速率和平衡都有利，但壓強越大需要的動力越大，對材料的強度和設備的制造要求越高，一般采用的壓強為10 MPa～30 MPa。
2．不是。因為從平衡的角度考慮，低溫有利于合成氨，但是溫度過低反應速率很慢，需要很長時間才能達到平衡，所以實際生產(chǎn)中，采用的溫度為400～500 ℃(在此溫度時催化劑的活性最大)。
3．減少平衡混合氣體中氨的濃度，使合成氨的平衡正向移動，提高反應物的轉(zhuǎn)化率。
4．催化劑可加快反應速率，提高生產(chǎn)效率。
要點歸納
1．合成氨反應的適宜條件
在實際生產(chǎn)中，既要考慮氨的產(chǎn)量，又要考慮生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，綜合速率與平衡兩方面的措施，得出合成氨的適宜條件：
(1)濃度：一般采用N2和H2的體積比1∶3，同時增大濃度，這是因為合成氨生產(chǎn)的原料氣要循環(huán)使用。
(2)溫度：合成氨是放熱反應，降低溫度雖有利于平衡向正反應方向移動，但溫度過低，反應速率過慢，400～500 ℃左右為宜，此溫度也是催化劑活性溫度范圍。
(3)壓強：合成氨是體積縮小的可逆反應，壓強增大，有利于氨的合成，但對設備要求也就很高，所需動力也越大，應選擇適當壓強，即10 MPa～30 MPa。
(4)催化劑：選用鐵觸媒，能加快反應速率，縮短達到平衡所需時間。
2．工業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜生產(chǎn)條件的原則
（1）從可逆性、反應前后氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)的變化、焓變?nèi)齻€角度分析化學反應的特點。
（2）根據(jù)反應特點具體分析外界條件對速率和平衡的影響；從速率和平衡的角度進行綜合分析，再充分考慮實際情況，選出適宜的外界條件。
（1）合成氨反應中，為了提高原料轉(zhuǎn)化率，常采用將未能轉(zhuǎn)化的N2、H2循環(huán)使用的措施。
（2）工業(yè)生產(chǎn)中，必須從反應限度和反應速率兩個角度選擇合成氨的適宜條件，既要考慮盡量增大反應物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料，又要選擇較快的反應速率，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量，同時還要考慮設備的要求和技術(shù)條件。
典例精講
【例1】（2023春·江蘇徐州·高二統(tǒng)考期中）合成氨反應為。圖1表示在一定溫度下此反應過程中的能量變化。圖2表示在的密閉容器中反應時的物質(zhì)的量隨時間的變化曲線。圖3表示在其他條件不變的情況下，改變起始物氫氣的物質(zhì)的量，平衡時的質(zhì)量分數(shù)的變化曲線。
下列說法正確的是
A．該反應為自發(fā)反應，由圖1可得加入適當?shù)拇呋瘎?，E和都減小
B．圖2中內(nèi)該反應的平均速率，從起其他條件不變，壓縮容器的體積為，則的變化曲線為d
C．圖3中，a、b、c三點所處的平衡狀態(tài)中，反應物的轉(zhuǎn)化率最高的是b點
D．該反應平衡常數(shù)表達式為，圖3中和表示溫度，對應溫度下的平衡常數(shù)為，則：
【答案】B
【解析】A．加入催化劑活化能E降低，但不影響焓變，△H不變，由圖1可知，合成氨是焓減熵減過程，△G＜0反應自發(fā)進行，根據(jù)△G＝△H?T△S可知，該反應在低溫下自發(fā)進行，故A錯誤；
B．由圖2可知，0～10min內(nèi)氮氣的物質(zhì)的量變化量為0.6ml?0.3ml＝0.3ml，，速率之比等于化學計量數(shù)之比，故v(H2)＝3v(N2)＝3×0.015ml/(L?min)＝0.045ml/(L?min)，11min壓縮體積，壓強增大，平衡向正反應移動，平衡時氮氣的物質(zhì)的量小于原平衡，故n(N2)的變化曲線為d，故B正確；
C．圖3表示平衡時氨氣含量與氫氣起始物質(zhì)的量關(guān)系，曲線上各點都處于平衡狀態(tài)，故a、b、c都處于平衡狀態(tài)，達平衡后，增大氫氣用量，氮氣的轉(zhuǎn)化率增大，故a、b、c三點中，c的氮氣的轉(zhuǎn)化率最高，故C錯誤；
D．由圖3可知，氫氣的起始物質(zhì)的量相同時，溫度T1平衡后，氨氣的含量更高，該反應為放熱反應，降低溫度平衡向正反應移動，故溫度T1＜T2，溫度越高化學平衡越低，故K1＞K2，故D錯誤；
故答案選B。
【例2】（2022秋·廣東廣州）為探究外界條件對反應： 的影響，以投料比開始反應，通過實驗得到不同條件下反應達到平衡時Z的物質(zhì)的量分數(shù)與壓強及溫度的關(guān)系，實驗結(jié)果如圖所示。下列判斷正確的是
A．
B．a(chǎn)+b0，該反應是氣體增加的反應，所以△S>0，故A錯誤；
B．使用催化劑只能加快反應速率，不能提高平衡轉(zhuǎn)化率，故B錯誤；
C．反應的平衡常數(shù)可表示為正確。故C正確；
D．其他條件相同，減小的平衡轉(zhuǎn)化率下降，NO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，故D錯誤；
答案選C。
10．（2022秋·江西南昌·高二南昌縣蓮塘第一中學?？茧A段練習）已知A(g)+B(g)C(g)+D(g)反應的平衡常數(shù)和溫度的關(guān)系如下：
830℃時，向一個2L的密閉容器中充入0.2ml的A和0.8ml的B，反應4s時測得C的物質(zhì)的量n(C)=0.04ml，下列說法正確的是
A．4s時c(B)為0.76ml?L－1
B．830℃達平衡時，A的轉(zhuǎn)化率為80%
C．反應達平衡后，升高溫度，平衡正向移動
D．降低溫度，反應C(g)+D(g)A(g)+B(g)的平衡常數(shù)增大
【答案】B
【解析】A．反應4s時測得C的物質(zhì)的量n(C)=0.04ml，則參加反應的B的物質(zhì)的量為0.04ml，c(B)==0.38ml?L－1，A不正確；
B．830℃達平衡時，設參加反應A的物質(zhì)的量為x，則可建立如下三段式：
則，x=0.16ml，A的轉(zhuǎn)化率為=80%，B正確；
C．由分析可知，正反應為放熱反應，則反應達平衡后，升高溫度，平衡逆向移動，C不正確；
D．A(g)+B(g)C(g)+D(g)為放熱反應，則反應C(g)+D(g)A(g)+B(g)為吸熱反應，降低溫度，平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小，D不正確；
故選B。
11．（2022秋·山東青島）在3個初始溫度均為T℃的密閉容器中發(fā)生反應：2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g) △H1.6
B．b>0.8
C．平衡時v正(SO2)：v(Ⅰ)

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第四節(jié) 化學反應的調(diào)控

版本： 人教版 (2019)

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