2019-2020年高二化学 合成氨条件的选择知识精讲 人教版第二册.doc

2019-2020 年高二化学 合成氨条件的选择知识精讲 人教版第二册 【本讲教育信息】 一. 教学内容： 合成氨条件的选择 二. 重点、难点 1. 使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论，选择合成氨 的适宜条件，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。 2. 了解合成氨工业生产的主要流程。 3. 向学生介绍我国解放后合成氨工业的发展情况，对学生进行爱国主义教育。 三. 具体内容 （一）原理 1 体积 3 体积 2 体积（正反应放热） 合成氨反应 分析角度 反应要求 外界条件 使氨生成得快 （从化学反应速率分析） 使氨生成得多 （从化学平衡分析） 压强 （高压） （高压） 温度 （高温） （低温） 是否要用催化剂 （使用） （不影响） （二）适宜条件的选择 1. 压强。增大压强，有利于的合成，但在实际生产中，压强不可能无限制的增大，因为 压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，势必增大生产成本， 降低综合经济效益。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国合成氨厂一般采 用的压强是。 2. 温度。合成氨为放热反应，低温有利于氨的生成。但是温度越低，反应速率越慢，到 达平衡所需要的时间越长，因而单位时间内产量低，这在工业生产中是很不经济的。综合 考虑各种因素，在实际生产上，采用 500的温度，此时催化剂的活性最大。 3. 催化剂。由于分子非常稳定， 与 的化合十分困难，即使采用了加热与高压的条件， 合成氨的反应还是十分缓慢。为了加快化合反应速率，降低反应所需要的能量，合成氨工 业普遍使用铁触媒作催化剂。 合成氨的化学反应原理可以用以下化学方程式表示： （三）综合分析： 1. 增加与的体积比，并不断分离出，同时补充和的浓度。 2. 增大压强为设备钢板能承受的程度，一般为。 3. 由于催化剂活性的需要应掌握在 500。 【典型例题】 例 1 在某容积一定的密闭容器中，可逆反应：，符合下列图象（I）所示关系。由此推断 对图象（II）的正确说法是（ ） A. ，Y 轴表示 A 的转化率 B. ，Y 轴表示 B 的百分含量 C. ，Y 轴表示混合气体的密度 D. ，Y 轴表示混合气体的平均相对分子质量 c%T1P2abt I II 解析：依图（I）中，确定 P，看 T1、T 2 曲线，先拐说明先达到平衡，由此可知；同样 确定 T，看 P1、 P2 曲线，由先拐先平，可知；再观察曲线与纵坐标关系，可知当 Tc%，则平衡向左移动，正反应为放热反应，Pc%，则平衡向右移动， ， 。由图 （I）所得结论，分析图 II，可知 y 代表 A 的转化率，还可表示混合气体的平均相对分子质 量。 答案：A、D 例 2 将加入到 V 升的反应器中，在高温下放电，经建立了平衡体系： ，此时测知的转 化率为 30%，下列图象能正确表示气体的物质的量浓度（m）跟时间（t）的关系的是（ ） tO23t1O31m2t321t 3 Ot A BtO23t1312t321t C D 解析：根据题意可知如下几点： （1）O 2 转化率为 30%。 （2）开始反应器中无 O3，经计算又可知，但平衡时，则 A、B 、D 错误。 答案：C 例 3 在容积不同的密闭容器内，分别充入同量的和，在不同温度下，任其发生反应：， 并分别在 t 秒时测定其中的体积百分含量，如图。 （1）A、B、C、D、E 五点中，尚未达到化学平衡状态的点是 。 （2）此可逆反应的正反应是 （反应） （填“放热”或“吸热” ） 。 （3）A、C 段的曲线是增函数，C、E 段曲线是减函数，试从反应速率和化学平衡的 角度说明理由： 。 解析：首先弄懂此图的涵义，从 0C 是平衡前，由于正反应是放热反应，随反应进 行，% ，T 升高，从 CE 是平衡时，T 升高，平衡向移动，%下降。 答案： （1）A、B； （2）放热； （3）C 点生成%最高，是平衡点，在 AC 段平衡前，CE 段升高温度，%含量 减少，正向放热，升温平衡逆向移动。 例 4 合成氨所用的可由煤与水反应制得，其中有一步反应为，欲提高 CO 转化率可采用 的方法有： 降低温度； 增加压强； 使用催化剂； 增大 CO 的浓度； 增大水 蒸气的浓度；其中正确的组合是（ ） A. B. C. D. 只有 解析：该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高 CO 的转化率，可设法使化 学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求，增加水蒸气的浓度，平衡向 正反应方向转动，CO 的转化率也可以增大；但若增加 CO 的浓度，平衡虽然向右移动，但 CO 的总量增大，其转化率反而减小，增大压强的使用催化剂的操作只能加快反应速率， 缩短达平衡的时间，而与平衡时 CO 的转化率无关。 答案：B 例 5 下列事实不能用勒沙特列原理解释的是（ ） A. 加入催化剂有利于合成氨的反应 B. 高压有利于合成氨的反应 C. 500有利于合成氨的反应 D. 将混合气体中的氨气液化有利于合成氨反应 答案：AC 解析：合成氨的反应是一个气体体积缩小的放热反应，加压能使平衡向生成氨的方向 移动，升温不利于生成氨，但能使催化剂活性大，提高反应速率；将氨液化降低氨气浓度， 平衡向生成氨气方向移动；催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡的时间。 例 6 在一定条件下，合成氨反应到达平衡状态，此时，再进行如下操作，平衡不发生移 动的是（ ） A. 恒温、恒压时，充入 NH3 B. 恒温、恒容时，充入 N2 C. 恒温、恒压时，充入 He D. 恒温、恒容时，充入 He 解析：在一定温度下，向平衡混合气体中加入不参与反应的气体，若体积未改变，则 对平衡无影响；若体积增大，则对平衡有影响，其影响情况与不加入该气体而增大体积时 对平衡的影响情况相同。 同时改变影响平衡的两个条件时，为使平衡移动情况变得有规律可循，一般需要设计 另外一条到达同一平衡状态的途径，即先只改变其中一个条件，再改变另一个条件。 该题需应用平衡移动原理对题给选项逐项分析。A 项，充入 NH3 会改变 NH3 的浓度， 对平衡有影响；为保持恒压，须增大体积，对平衡也有影响。为便于判断平衡移动的方向， 可这样设想：先在恒温、恒容下充入 NH3，这时由于 NH3 的浓度增大，平衡会向 NH3 分解 的方向移动；再在恒温下增大体积（即减小压强） ，使压强与原平衡相等，这时平衡也会向 NH3 分解的方向移动所以，在恒温、恒压下充入 NH3，会使平衡向 NH3 分解的方向移动。 B 项，在恒温、恒容下充入 N2，会使 N2 的浓度增大、从而使平衡向生成 NH3 的方向移动。 C 项，He 不参与化学反应，但在恒温、恒压下充入 He，必须引起体积增大，这如同减小 平衡混合气体的压强，平衡会向 NH3 分解的方向移动。D 项，在恒温、恒容下充入 He， 由于平衡混合物中任一组分的浓度均未改变，所以平衡不移动。应选 D。 答案：D 【模拟试题】 （答题时间：40 分钟） 一. 选择题（每小题有一个或两个选项符合题意） 1. 在 N2+3H2 2NH3（正反应为放热）的平衡体系中，保持温度不变，充入氩气，使容器 体积和压强均增大一倍，此时平衡将（ ） A. 不移动 B. 向正反应方向移动 C. 向逆反应方向移动 D. 不能确定是否移动 2. 工业上合成氨时一般采用 500左右的温度，其原因是（ ） 适当提高氨的合成速率， 提高 H2 的转化率， 提高氨的产率， 催化剂在 500时活性最大 A. B. C. D. 3. 在合成氨工业中，实现下列目的变化过程中与平衡移动无关的是（ ） A. 为增加 NH3 的日产量，不断将 NH3 分离出来 B. 为增加 NH3 的日产量，使用催化剂 C. 为增加 NH3 的日产量，采用 500左右的高温 D. 为增加 NH3 的日产量而采用 2107510 7Pa 的压强 4. 在带有活塞的密闭容器中压入 5molH2 和 5molN2，在某温度下经反应生成 2mol NH3， 若此时容器的压强不变，则容器体积是反应前的（ ） A. 2 倍 B. 1.5 倍 C. 0.8 倍 D. 0.5 倍 5. 合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为：CO+H 2OCO2+H2（正反 应为放热） ，要使 CO 转化率提高，可采用下列措施中的（ ） A. 增大水蒸气的浓度 B. 增大 CO 的浓度 C. 降低温度 D. 增大压强 6. 将含 1mol NH3 的密闭容器 a 加热，部分 NH3 分解，并达到平衡，此时 NH3 的体积分 数是 x。若在该容器中加入 2mol NH3 后密封，加热到相同温度，使反应达到平衡时，设 此时 NH3 的体积分数为 y，则 x 和 y 的正确关系是（ ） A. xy B. xy C. x= y D. xy 7. 在一定条件下，可逆反应 x（气）+3y（气）2z（气）达到平衡时，有 37.5的 y 转化 为 z，有 25的 x 转化为 z。则起始时，充入容器中的 x 和 y 的物质的量之比为（ ） A. 1:3 B. 3:1 C. 3:2 D. 1:2 8. 在固定容积的密闭容器中，氮与氢合成氨的反应达到了平衡，此时容器中含有 0.1mol N2、0.3mol H2 和 0.1mol NH3，若维持原来的条件，向该容器中再同时加入 0.1mol N2、0.3mol H 2 和 0.1mol NH3，则（ ） A. 正、逆反应速率同时增大，化学平衡不移动 B. 正、逆反应速率同时增大，混合气体中 NH3 的体积分数增大 C. 正、逆反应速率同时增大，化学平衡向逆反应方向移动 D. 正、逆反应速率不变，化学平衡不移动 9. 下面是合成氨的简要流程示意图： 沿 X 路线回去的物质是（ ） A. N2 和 H2 B. 催化剂 C. NH3 D. H2 10. 工业上用以合成氨的原料气氢气，来源之一是取自石油气，如用丙烷在一定条 件下与水反应：C 3H8+H2O CO2+H2，按此原理 1mol 丙烷最多可制氨气约为（ ） A. 4mol B. 10mol C. 2.7mol D. 6.6mol 二. 填空题 11. 工业上合成氨的反应为 N2（气）+3H 2（气）2NH 3（气）反应放热 92.4kJ。 （1）使用铁触媒作催化剂是为了_。 （2）通常采用 2107Pa510 7Pa 的压强，原因是_。 （3）选择 500左右的温度进行反应，是由于_。 （4）将生成的氨及时从混合气中分离出来，原因是_。 12. 在标准状况下，将 67.2L 氮气和 44.8L 氢气混合，在一定条件下使之反应合成氨气， 反应达到平衡时，测得反应后的混合气体中氨的体积分数为 30。 （1）平衡时反应混合物在标准状况下的总体积是_。 （2）平衡时混合气体中氮气的体积分数是 。 13. 合成氨工业采用高压条件进行反应；接触法制硫酸工业采用常压条件进行反应，其 理由是_。 三. 计算题 14. 将 N2 和 H2 按一定比例混合，在相同状况下其密度是 H2 的 3.6 倍。取 0.5mol 该混合 气体充入密闭容器内，使之发生反应并在一定条件下达到平衡。已知反应达平衡后容器内 压强是相同条件下反应前压强的 0.76 倍。试求： （1）反应前混合气体中 N2 和 H2 的体积比； （2）达到平衡时混合气体中氨的物质的量； （3）平衡时 N2 的转化率。 15. 在密闭容器中充入体积比为 1:3 的 N2、H 2，平衡时测得混合气体中 NH3 的体积分数 为 20，则此时容器内的压强与开始时的压强比是多少？ 16. 有平均式量为 8.5 的氢氮混合气体，通过合成塔后出来的混合气体的平均式量为 9.4，求 H2 的转化率。 【试题答案】 一. 1. C 2. D 3. B、 C 4. C 5. A、C 6. B 7. D 8. B 9. A 10. D 二. 11. （1）提高反应速率。 （2）该反应是一个气体体积数减小的反应，增大压强，有利于平衡向右移动。 （3）合成氨的反应是放热反应，温度升高，不利于氨的生成，但温度过低，反应速率 很慢，故需采用 500左右的适宜温度，且 500左右时催化剂的活性最大。 （4）减小生成物氨的浓度，有利于化学平衡向右移动。 12. （1）86.2L （2）62.96 13. 合成氨的反应是一个气体体积减小的反应，高压有利于平衡向右移动，制 SO3 的反 应：2SO 2+O2 2SO3 尽管也是一个气体体积减小的反应，但在常压下 SO2 的转化率已较高。 三. 14. （1） （2） （3） 15. 16. 19.15%