化学反应条件的优化——工业合成氨-鲁科版高中化学选修4讲义练习

第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨

学业要求 1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化。 2.能运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响规律解释实际问题。 素养对接 科学态度与社会责任：通过反应条件的选择和优化，促使学生形成多角度综合调控化学反应的思路，发展学生“绿色化学”的观念。

[知 识 梳 理]

知识点一、合成氨反应的限度 1.

合

成

氨

的

化

学

反

应

方

程

式

N2(g)

＋

3H2(g)

2.合成氨反应的特点 (1)能自发进行。 (2)正反应是放热反应。

(3)正反应是气体物质的量减小的反应。 (4)可逆反应。

2NH3(g)，ΔH<0, ΔS<0。

3.降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成NH3的方向移动；在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为1∶3时，平衡混合物中NH3的含量最高。 知识点二、合成氨反应的速率

1.增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。 2.升高温度有利于提高合成氨的速率。

3.加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，加快化学反应的速率。 知识点三、合成氨的适宜条件 1.合成氨反应条件的选择原则

(1)尽量增大反应物的转化率，充分利用原料； (2)选择较快的化学反应速率，提高单位时间内的产量； (3)考虑设备的要求和技术条件。 2.合成氨反应的适宜条件 (1)压强

?

①适宜条件?中压

?高压

(2)温度

低压 1×107Pa

2×107Pa～3×107Pa 8.5×107Pa～1×108Pa

②理论依据：压强越大，要求动力越大，对材料和设备的制造要求就越高。

①适宜条件：700__K左右。

②理论依据：该温度下催化剂的活性最强，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。 (3)催化剂

适宜条件：以铁为主的多成分催化剂。 (4)浓度

①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8时混合，适时分离出__氨气。 ②理论依据：适当提高N2的浓度，来提高H2的转化率。 (5)其他

为了提高原料的利用率，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。

[自 我 检 测]

1.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是( ) A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率

解析 催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。 答案 B

2.合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)

ΔH＝－92.2 kJ· mol－1，K＝6.6×105 mol－2·L2。

2NH3(g)

(1) 从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，还需要使用催化剂的原因是______________________________________________________。

(2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用700 K，不采用低温操作的理由是______________________________________________________ ______________________________________________________。 (3)试分析实际生产中采取700 K左右的温度的原因是

______________________________________________________。

(4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率，而实际采用的最高压强为

8.5×107～1×108Pa，不采用更高的压强，其原因是

______________________________________________________ ______________________________________________________。 答案 (1)为了加快化学反应速率，提高单位时间的产量 (2)温度低时反应速率小，单位时间内NH3的产量低

(3)温度升高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小，单位时间内NH3的产量低，并且在此温度时，催化剂的活性最大

(4)实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。采用更高的压强，对设备和材料的要求越高，需要的动力越大，会增加投资和能量消耗，不经济