一、合成氨反响的限度1．合成氨的化学方程式N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) .2．合成氨反响的特点.(1)所有的反响物和生成物都是气态,且该反响为体积减小的反响；(2)气体的物质的量减小的熵减小的反响；(3)该反响的正反响为放热反响.1．合成氨工业生产中 ,为什么采用未转化的合成气循环使用?答案：合成氨反响中,反响物的转化率并不高,如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反响是很不经济的,应将别离液氨后的未转化的合成气进行循环使用,并及时补充N2和H2 ,使反响物保持一定的浓度,有利于合成氨反响的进行.二、合成氨反响的速率1．速率方程：在特定条件下,合成氨反响的速率与参加反响的物质的浓度的关系式为v ＝kc(N2)c(H2)c－1(NH3) ,由速率方程可知：增大N2或H2的浓度,减小NH3的浓度,都有利于提高合成氨反响的速率.2．温度升温时,k增大,因此升温有利于提高合成氨的速率.3．参加适宜的催化剂能降低合成氨反响的活化能,使合成氨反响的速率提高上万亿倍.三、合成氨的适宜条件1．合成氨反响条件的选择.工业生产中,必须从反响速率和反响限度两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反响物的转化率充分利用原料,又要选择较快的反响速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件.2．合成氨的适宜条件.反响条件压强温度催化剂浓度1×107～1×108 Pa 700 K左右铁触媒(1)N2与H2的投料比为1∶(2)使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中别离出去,并及时补充N2和H22．合成氨工业生产中 ,为什么采取700 K左右的温度?答案：在这个温度时,催化剂活性最||大,反响速率也就大,从而可以提高合成NH3的经济效益.活学活用1．以下关于工业合成氨的表达中 ,错误的选项是(B)A．在动力、设备、材料允许的情况下 ,反响尽可能在高压下进行B．温度越高越有利于工业合成氨C．在工业合成氨中 ,N2、H2的循环利用可提高其利用率 ,降低本钱D．及时从反响体系中别离出氨气有利于平衡向正反响方向移动解析：合成氨的反响为放热反响 ,温度越高 ,NH3的产率越低 ,温度太高会影响催化剂的催化效果.2．合成氨反响到达平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如右图所示,根据此图分析合成氨工业最||有前途的研究方向是(C)A．提高别离技术B．研制耐高温的合成塔C．研制低温催化剂D．探索不用N2和H2合成氨的新途径解析：由题图可知：NH3%随着温度的升高而显著下降 ,故要提高NH3% ,必须降低温度 ,但目前所用催化剂铁触媒活性最||高时的温度为500 ℃ ,故最||有前途的研究方向为研制低温催化剂.1．有关合成氨工业的说法中,正确的选项是(B)A．从合成塔出来的混合气体,其中NH3只占15% ,所以生产氨的工厂的效率都很低B．由于氨易液化,N2、H2在实际生产中是循环使用,所以总体来说氨的产率很高C．合成氨工业的反响温度控制在500 ℃,目的是使化学平衡向正反响方向移动D．合成氨厂采用的压强是2×107～5×107 Pa ,因为该压强下铁触媒的活性最||大解析：合成氨的反响在适宜的生产条件下到达平衡时 ,原料的转化率并不高 ,但生成的NH3别离出后 ,再将未反响的N2、H2循环利用 ,这样处理后 ,可使生产氨的产率都较高 ,故A项错误 ,B项正确；合成氨工业选择500 ℃左右的温度 ,是综合了多方面的因素确定的 ,因合成氨的反响是放热反响 ,低温才有利于平衡向正反响方向移动 ,故C项错误；无论从反响速率还是化学平衡考虑 ,高压更有利于合成氨 ,但压强太大 ,对设备、动力的要求更高 ,基于此选择了2×107～5×107 Pa的高压 ,催化剂活性最||大时的温度是500 ℃ ,故D 项错误.2．工业合成氨的反响是在500 ℃左右进行的,这主要是因为(D)A．500 ℃时此反响速率最||快B．500 ℃时NH3的平衡浓度最||大C．500 ℃时N2的转化率最||高D．500 ℃时该反响的催化剂活性最||大解析：工业合成氨反响采用500 ℃的温度 ,有三个方面的原因：①有较高的反响速率；②反响物有较大的转化率；③催化剂的活性最||大.3．合成氨时,既要使合成氨的产率增大,又要使反响速率增快,不可采取的方法是(B) A．补充N2B．升高温度C．增大压强D．别离出NH3解析：补充N2、增大压强既能加快反响速率 ,又能促进平衡向生成氨的大向移动；别离出NH3,能使平衡向生成氨的方向移动 ,反响速率是提高的；升高温度能加快反响速率 ,但不利于氨的生成.4．(双选)合成氨工业对国民经济和社会开展具有重要的意义.对于密闭容器中的反响：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ,在673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如下列图.以下表达正确的选项是(AD )A．A点的正反响速率比B点的大B．C点处反响到达平衡C．D点(t1时刻)和E点(t2时刻)处n(N2)不一样D．其他条件不变,773 K下反响至||t1时刻,n(H2)比上图中D点的值大解析：在AB段可逆反响向正反响方向移动 ,随着反响的进行 ,反响物浓度在减小 ,正反响速率在降低 ,应选项A正确；C点时NH3、H2的物质的量仍在变化 ,未到达化学平衡 ,应选项B不正确；t1时刻和t2时刻都处于同样的化学平衡状态 ,那么n(N2)不变 ,应选项C 不正确；由于正反响是一个放热反响 ,升高温度化学平衡向逆反响方向移动 ,平衡时n(H2)比题图中D点的值要大 ,应选项D正确.5．氨是一种重要的化工原料,氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一.传统哈伯法合成氨工艺中相关的反响式为：N2＋3H 22NH3ΔH＜0 .(1)该反响的平衡常数K的表达式为：K＝______；升高温度,K值______(选填 "增大〞"减小〞或 "不变〞) .(2)不同温度、压强下,合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表(N2和H2的起始物质的量之比为1∶3) .分析表中数据,________(填温度和压强)时H2转化率最||高,实际工业生产不选用该条件的主要原因是________________________________________________________________________ .压强/MPa氮的平衡含量/%10 20 30 60 100温度/℃200300400500600(3)以下关于合成氨说法正确是________(填字母) .A．使用催化剂可以提高氮气的转化率B．寻找常温下的适宜催化剂是未来研究的方向C．由于ΔH＜0、ΔS＞0 ,故合成氨反响一定能自发进行D．增大n(N2)∶n(H2)的比值,有利于提高H2的转化率解析：(1)根据化学方程式可写出平衡常数为K＝c2(NH3)/ [c(N2)·c3(H2)],由于反响放热 ,升高温度平衡向逆反响方向移动 ,那么平衡常数减小.(2)在200 ℃、100 MPa时氨气的含量最||大 ,那么H2转化率最||高 ,但实际工业生产中压强不能太大 ,因压强太高 ,对生产设备要求也高 ,难以实现.(3)催化剂不影响平衡移动 ,故A错误；寻找常温下的适宜催化剂可减少能量的消耗 ,为研究的主要方向 ,故B正确；ΔS＜0 ,需在一定温度4才能进行 ,故C错误；增大n(N2)可提高H2的转化率 ,故D正确.答案：(1)c2(NH3)/ [c(N2)·c3(H2)]减小(2)200 ℃、100 MPa压强太高,对生产设备要求也高,难以实现(3)BD6．CO可用于合成甲醇,反响方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) .CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如下列图.该反响的ΔH____0(选填 "＞〞或 "＜〞) .实际生产条件控制在250 ℃、×104 kPa左右,选择此压强的理由是________________ .解析：根据图示 ,当压强相同时 ,降低温度 ,CO的平衡转化率升高 ,说明降温平衡向正反响方向移动 ,因此正反响为放热反响 ,那么ΔH＜0 .答案：<在×104kPa下,CO的平衡转化率已较高,再增大压强,CO的平衡转化率提高不大,而生产本钱增加,得不偿失1．以下有关合成氨的说法中正确的选项是(A)A．降温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量B．升温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量C．通过调控温度和压强,就一定能获得氨在平衡混合物中的百分含量D．通过调控温度、压强、氮气和氢气的分压比,就一定能使氮气和氢气完全转化为氨解析：氮气与氢气合成氨是气体物质的量减小的放热反响 ,降温和加压均能使化学平衡状态向生成氨的反响方向移动；改变反响物的浓度或气态反响物的分压也能改变氨在平衡混合物中的百分含量；无论采取什么措施 ,使可逆反响的反响限度到达100%都是不可能的.2．合成氨所需H2可由煤和水反响制得,其中的一步反响为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)(正反响是放热反响) ,欲提高CO的转化率可采用的方法有：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；其中正确的组合是(C) A．①②③B．④⑤C．①⑤D．⑤解析：该反响为气体体积不变的反响 ,改变压强只能改变反响速率 ,但不能改变CO的转化率；该反响的正方向为放热反响 ,所以降低温度可使平衡向正反响方向移动 ,提高CO 的转化率；增大反响物的浓度可使另一反响物的转化率提高 ,而本身转化率降低；催化剂只能改变化学反响速率 ,但不能使平衡移动 .3．NO2蒸气易形成N2O4：2NO2(g)N2O4(g)(正反响为放热反响) ,现欲较准确测定NO2的相对分子质量,应采用的反响条件是(A)A．高温低压B．低温高压C．低温低压D．高温高压解析：题目要求准确测定NO2的相对分子质量 ,而NO2(g)易形成N2O4(g),不利于NO2的相对分子质量的测定.故要准确测定NO2的相对分子质量 ,就必须使上述平衡向生成NO2分子的方向移动 ,由于上述正反响是一个体积缩小的放热反响 ,要使平衡向逆反响方向移动 ,那么应采取高温低压的措施才行.4．反响N2 (g)＋3H2(g) 2NH3(g)ΔH<0在某一时间段中反响速率与反响过程的曲线关系如右图所示,那么氨的百分含量最||高的一段时间段是(t1～t6,只改变了温度或压强)(A)A．t0～t1B．t2～t3C．t3～t4D．t5～t6解析：此题考查了对速率-时间图象的分析.化学平衡时v正＝v逆 ,氨的百分含量不变.t1～t2、t4～t5,v逆大于v正 ,平衡向左移动 ,致使氨的百分含量减少 .所以氨的百分含量最||高时是t0～t1 .5．合成氨的温度和压强通常控制在约500 ℃以及2×107～5×107 Pa的范围,且进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3 ,经科学实验测定,在相应条件下,N2和H2反响所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示,而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15% ,这说明(D)压强2×107 Pa 6×107 Pa温度500 ℃19 .1A.表中所测数据有明显误差B．生产条件控制不当C．氨的分解速率大于预测值D．合成塔中的反响并未到达平衡解析：表中数据为科学实验测定 ,不可能有明显误差；合成氨连续进行 ,不会突然改变生产条件；平衡的浓度问题与速率的大小没有直接关系 ,而到达平衡状态的时间那么取决于反响速率的大小；平衡浓度是该条件下该可逆反响的最||高生成物浓度 ,所以D项正确.6．在合成氨的反响中,N2和H2的初始参加量为110 mL、130 mL ,当到达平衡时,气体的总体积变为220 mL ,那么生成NH3的体积为(B)A．10 mL B．20 mL C．25 mL D．30 mL解析：根据N2＋3H22NH31 32 ΔV＝2110 mL 130 mL V(NH3) ΔV＝110 mL＋130 mL－220 mL＝20 mL缩小2体积也等于生成NH3的体积数 ,即：V(NH3)＝20 mL7．以下事实,不能用勒·夏特列原理解释的是(D)A．反响CO(g)＋NO2(g)CO2(g)＋NO(g)ΔH<0 ,升高温度可使平衡向逆反响方向移动B．合成NH3的反响,为提高NH3的产率,理论上应采取相对较低的温度C．溴水中存在平衡：Br2＋H2O HBr＋HBrO ,当参加AgNO3溶液后,溶液颜色变浅D．对2HI(g)H2(g)＋I2(g) ,增大平衡体系的压强(压缩体积)可使体系颜色变深解析：此题考查勒·夏特列原理的应用.选项A的反响为放热反响 ,升高温度 ,平衡向逆反响方向移动.选项B合成氨的反响是放热反响 ,理论上采取低温有利于反响向正反响方向进行 ,但需同时考虑温度对反响速率的影响.选项C中参加AgNO3后 ,Ag＋与Br－反响生成AgBr沉淀 ,降低了Br－的浓度 ,平衡向正反响方向移动 ,溶液颜色变浅 ,A、B、C三项均能用勒·夏特列原理解释.选项D因2HI(g)H2(g)＋I2(g) ,化学方程式两边气体分子数相等 ,压缩体积使压强增大 ,平衡不发生移动 ,但由于体积减小 ,各组分的浓度增大 ,故颜色变深.应选D .8．工业上合成氨是在一定条件下进行如下反响：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH ＝－kJ·mol－1 ,其局部工艺流程如以下列图所示：反响体系中各组分的局部性质见下表：气体氮气氢气氨熔点/℃－－－沸点/℃－－－答复以下问题：(1)写出该反响的化学平衡常数表达式：K＝________ .随着温度升高,K值______(选填"增大〞 "减小〞或 "不变〞) .(2)平衡常数K值越大,说明________(填字母) .A．N2的转化率越高B．NH3的产率越大C．原料中N2的含量越高D．化学反响速率越快(3)合成氨反响的平衡常数很小,所以在工业上采取气体循环的流程.即反响后通过把混合气体的温度降低到________使__________别离出来；继续循环的气体是________ .解析：(1)由方程式N2(g)＋3H2 (g)2NH3 (g)不难写出：K＝[NH3]2[N2]·[H2]3 ,根据此反响ΔH<0 ,说明正反响为放热反响 ,升高温度平衡向吸热方向移动 ,即向左移动 ,[NH3]减小 ,[N2]和[H2]增大 ,故K减小.(2)平衡常数K值越大 ,说明[NH3]越大 ,[N2]和[H2]就越小 ,说明反响进行的程度大 ,故N2的转化率就越高 ,NH3的产率就越大(注：产率是指实际产生的NH3与理论产生的NH3的物质的量之比) .(3)根据气体的熔、沸点可知 ,氨气容易液化 ,使其别离可使平衡正向移动 ,剩余N2和H2循环使用 ,以提高产率.答案：(1)[NH3]2[N2]·[H2]3减小(2)A、B(3)－℃氨N2和H29．合成氨反响在工业生产中的大量运用,满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供了足够的原料- -氨.合成氨反响是一个可逆反响：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) .在298 K时：ΔH＝－kJ·mol－1 ,K＝×106(mol·L－1)－2 .(1)从平衡常数来看,反响的限度已经很大,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：________________ .(3)298 K ,×105 Pa ,在10 L密闭容器中充入10 mol氮气、30 mol氢气和20 mol氨气,开始的瞬间,反响向________(选填 "正〞或 "逆〞)方向进行,反响进行5 min后体系能量的变化为________(选填 "吸收〞或 "放出〞) kJ ,容器内压强变为原来的________倍 .(4)从开始至||5 min时,用N2浓度变化表示该反响的平均速率为____________ .解析：(1)对于一个实际工业生产的反响原理 ,既要考虑反响的限度问题 ,也要考虑反响的速率问题 ,使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反响速率 .(2)在该温度下 ,催化剂的活性最||大.(3)依据Q＝[(20 mol/10 L)2]/[(10 mol/10 L)·(30 mol/10 L)3]＝4/27(mol·L－1)－2<K＝×106(mol·L－1)－2 ,反响正向进行 ,放出热量 ,且放出热量的数值为92.2 kJ·mol－1的两倍 ,故5 min时生成的氨气为4 mol ,用三步式表示为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)起始量(mol)103020转化量(mol)2645 min时(mol)82424故 5 min时气体总物质的量为8＋24＋24＝56(mol) ,容器内压强变为原来的56/60＝14/15 .(4)v(N2)＝(2 mol/10 L)/5 min＝0.04 mol·L－1·min－1答案：(1)使用催化剂主要是为了在不影响限度的情况下加快反响速率,提高单位时间内的产量(2)在该温度下,催化剂的活性最||高,速率较大,反响的限度虽然有所降低,但综合分析,单位时间内的产量还是最||理想的(3)正放出14/15(4) mol·L－1·min－1 10．工业上生产硫酸时,利用催化氧化反响将SO2转化为SO3是一个关键步骤.压强及(1)SO2的氧化是放热反响,如何利用表中数据推断此结论?________ .(2)在400～500 ℃时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,主要原因是________ .(3)选择适宜的催化剂,是否可以提高SO2的转化率?________(选填 "是〞或 "否〞) ,是否可以增大该反响所放出的热量?________(选填 "是〞或 "否〞) .(4)为提高SO3吸收率,实际生产中用________吸收SO3 .(5)：2SO3(g) ＋O2 (g) = = =2SO3 (g)ΔH＝－kJ·mol－1 ,计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量.(1)压强一定时,温度升高,SO2转化率下降,说明升温有利于逆反响进行,所以正反响为放热反响(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响,反而会增加生产本钱(3)否否(4)浓硫酸(5)1万吨98%的硫酸含H2SO4的质量为×109 g ,设需要SO3的质量为x ,该反响产生的热量为y ,那么：H2SO4 ～SO3～ΔH98 g 80 g ×kJ×109 g x yx＝错误!＝×109 g＝×103 t ,y＝错误!＝×109 kJ。
