【全程复习方略】高中化学(鲁科版)选修四配套课件：2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨

答案：D
合成氨的反应：N2(g)＋3H2(g) 在一定条件下已达到平衡状态。
2NH3(g)，
(1)此时__________相等，________保持不变，而
________却仍在进行，因此化学平衡是________平衡。
(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移
动，则正反应是________反应，生成1摩尔氨的反应热是
在设备条件允许的前 提下，尽量采取高压
兼顾速率和平衡，选 取适宜的压强
例如：合成氨的工业生产：
①压强：温度一定时，增大混合气体的压强对合成氨的 速率和平衡都有利，但压强越大需要的动力越大Байду номын сангаас对材料的 强度和设备的制造要求越高，一般采用2×107～5×107 Pa。
②温度：从平衡的角度考虑，合成氨低温有利，但是温 度过低反应速率变慢，需要很长时间才能达到平衡，很不经 济，所以实际生产中，采用500℃左右的适宜温度(在此温度 时催化剂的活性最大)。
4．催化剂对化学反应速率的影响
加催化剂可以使反应的活化能从335 kJ·mol－1降低
为167 kJ·mol－1， k催 ＝3.4×1012(700 K)表明，使用 k无
催化剂后可以使合成氨的反应速率提高上万亿倍，因为 催化剂改变了反应的历程，降低了反应所需的活化能， 增大了反应速率常数，大大提高了化学反应速率。
问题：根据合成氨反应原理：N2 (g)＋3H2 (g) 2NH3(g)；ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，外界条件对合成氨反应 平衡有何影响？
1．合成氨反应是一个能自发进行的放热反应，同时 也是气体的物质的量___减__小___的___熵__减___反应。因此， ___降__低___温度、__增__大____压强将有利于化学平衡向生成氨 的方向移动。在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的 体积比为___1_∶__3__时，平衡混合物中氨的含量最高。

选择合适的温度：该温度是催化剂活 性最大的温度；
选择合适的压强：既要考虑化学反应 速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、 设备等。
◆学以致用◆
◆当堂练习◆
1.有如下平衡体系：
CO（g）+2H2（g） CH3OH(g) （正反应为放热反应），为了增加甲醇的 日产量，应采取的正确措施是（ C ） A.高温、高压 B.低温、低压 C.适宜的温度、高压、催化剂
D.高温、高压、催化剂
◆当堂练习◆ 2.下列事实中不能用化学平衡移动原理来 解释的是（ BD ） A.工业制硫酸的过程中通入足量的空气, 可以提高SO2的产率 B.加入催化剂有利于合成氨反应 C.高压有利于合成氨反应
D.500℃左右比室温更有利于合成氨反应
◆当堂练习◆
3、下列说法正确的是（
B
）
A、在高温下，延长反应时间或者增加氮气的浓度均可 以提高合成氨中H2的转化率 B、在密闭容器中，当CaCO3 CaO + CO2处于平衡 状态时，再加入Na2O2固体，CaCO3的量会减少。 C、有固体参加的可逆反应达平衡后，若改变压强，不 会影响平衡的移动
0.1
10
20
30
89.9 71.0
47.0
60
100
200 300
400
15.3 81.5 86.4 2.2 52.0 64.2
0.4 25.1 38.2 0.1 10.6 19.1 0.05 4.5 9.1
95.4 98.8 84.2 92.6
65.2 79.8 42.2 57.5 23.1 31.4
◆当堂练习◆
5．
B
我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 1949年全国氮肥产量仅0.6万吨； 1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。

合成氨的反应速率 1．由平衡移动的原理可知，合成氨要在高压和低温
下才能得到较高的产率。但是高压条件对设备的要求高，
而反应温度的降低势必延长达到化学平衡的时间，致使 生产效率降低，失去了工业生产的意义。因此在寻找最
佳的生产条件时，除了考虑反应的限度外，还需要研究
哪些措施可以用来提高化学反应速率。 2．增大反应速率的方法：可以采用升高温度、增大 压强、增大反应物N2(或H2)的浓度及使用催化剂等措施来 提高合成NH3的反应速率。
使用(正)催化剂 应速率分析： 适当提高氮氢比 适时地 分离 反应产物氨
(3)选择合成氨的条件时，既不能片面的追求高转化率， 也不能只追求高反应速率，而应该寻找较高的反应速率获 得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的 价格、未转化的合成气(H2和N2)的循环使用、反应热的综合 利用等问题。
高压 2．依据平衡移动的原理可知，合成氨反应在____ 低 温的条件下进行时，才能得到较高的产率。但是， 和______ 高压条件对设备提出了苛刻的要求，而反应温度的降低势 必________ 达到化学平衡的时间，致使生产效率降低，失 延长 去工业化生产的意义。
3．由反应速率与参与反应物质的浓度的关系式可 1 次方成正比， 知，合成氨反应的速率与氮气浓度的____
4．目前，合成氨生产中一般选择____ 铁 作为催化 剂；控制反应温度在________ 700 K 左右。根据反应器可使 用的钢材质量及综合指标来选择压强；通常采用氮气 与氢气的物质的量之比为________ 1∶2.8 的投料比。
5．对合成氨反应条件的综合分析 (1)从合成氨的化学平衡分析： 降低 温度 有利于提高转化率的措施 提高 压强 (2)从合成氨的反 提高 反应温度

解析
(1)观察反应的特点可以得出要想使平衡正向移动，Biblioteka 可以采取的措施为低温、高压。
(2)由于400～500℃是较高温度，而升高温度虽然会使反应 速率加快，但是通过上表分析对生成物的产率影响不大，所以
主要原因是此温度时催化剂的活性最大。
(3) 因为在常压下 400 ～ 500℃ 时， SO2 的转化率已经很高 了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量 消耗，故采用常压。 (4)增大氧气的浓度，相当于增大了反应物的浓度，使平衡 向生成SO3的方向移动，提高二氧化硫的转化率。 (5)尾气是一种污染性气体，所以在反应结束后需对其进行 尾气处理，以减少对环境的污染。
第四节
化学反应条件的优化——工业合成氨
1 ．浓度、温度、压强和催化剂对化学反应速率各有什么 影响？ 提示 增大浓度、升高温度、增大有气体参与反应的压强
和使用催化剂能加快反应速率；减小浓度、降低温度和压强能
减慢反应速率。
2．浓度、温度、压强对化学平衡的移动各有什么影响？
提示
(1) 浓度：增大反应物浓度，平衡向正反应方向移
以促使合成氨的反应正向进行，有利于氨的合成，但是在工业
生产中要考虑设备的实际条件，可以在允许的条件下尽量的增 大压强。
【慎思 2】 合成氨工业生产中，为什么采用未转化的合成
气循环使用？ 提示 合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2
和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将
分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，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。
【例1】关于工业合成氨的叙述中，错误的是( 压下进行 B．温度越高越有利于工业合成氨