考點30合成氨條件的選擇

1．復(fù)習重點

1．如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理，選擇合成氨的適宜條件。  

2.了解應(yīng)用化學(xué)原理選擇化工生產(chǎn)條件的思路和方法。

2．難點聚焦

1．合成氨條件的選擇

工業(yè)上用N2和H2合成氨：

    N2+3H2       2NH3+Q

  從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩方面看，選擇什么樣的操作條件才有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本呢？

    從速率看，溫度高、壓強大（即N2、H2濃度大）都會提高反應(yīng)速率；

    從化學(xué)平衡看，溫度低、壓強大都有利于提高N2和H2的轉(zhuǎn)化率。

    可見，壓強增大，從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡看都是有利于合成氨的。但從生產(chǎn)實際考慮，壓強越大，需要的動力越大，對材料的強度和設(shè)備的制造要求越高，將使成本增大。故一般合成氨廠采用的壓強是20~50MPa帕斯卡。

而溫度升高，有利于反應(yīng)速率但不利于N2和H2的轉(zhuǎn)化率。

如何在較低的溫度下保持較大轉(zhuǎn)化率的情況下，盡可能加快反應(yīng)速率呢？選用合適的催化劑能達到這個目的。那么，較低的溫度是低到什么限度呢？不能低于所用催化劑的活性溫度。目前使用的催化劑是以鐵為主體的多成分催化劑――又稱鐵觸媒。其活性溫度為450℃~550℃，即溫度應(yīng)在450~550℃為宜。將來如制出活性溫度更低、活性也很在的新型催化劑時，合成氨使用的溫度當然比現(xiàn)在要低，轉(zhuǎn)化率就能更高了。

選擇適宜的條件：根據(jù)N2+3H2          2NH3+Q這一反應(yīng)的特點，運用化學(xué)反應(yīng)速

率和化學(xué)平衡的理論來選擇適宜條件。該反應(yīng)為可逆、體積減小、正反應(yīng)為放熱等特點。

（1）適宜的壓強：為何強調(diào)適宜？壓強越大、有利于NH3的合成，但太大，所需動力大，材料強度高，設(shè)備制造要求高，成本提高，選擇2×107~5×107Pa壓強。

思考：工業(yè)上生產(chǎn)H2SO4：2SO2(g)+O2(g)    2SO3(g)為何不采用加壓方法？（因為在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已達91%，不需要再加壓）

（2）適宜的溫度：溫度越低越有利于NH3的合成，為何還要選擇5000C高溫？因為溫度越低，反應(yīng)速率越小，達平衡時間長，單位時間產(chǎn)量低，另外5000C時，催化劑活性最大。

（3）使用催化劑

（4）及時分離出NH3，并不斷補充N2和H2（N2要過量，提高成本較高的H2轉(zhuǎn)化率）

 

小結(jié)：合成氨的適宜條件：

     壓強：20~50MPa帕斯卡

     溫度：500℃左右

 催化劑：鐵觸媒

 

2．合成氨工業(yè)簡述

蒸發(fā)

壓縮

物理方法： 空氣      液態(tài)空氣          N2

（去CO2）

燃燒

炭

H2O

②制H2：

（去CO2）

催化劑

 赤熱炭

 

催化劑 

  • 
   
    
    
    
    
    
       △
    


    
 
    
  
  
    
   
    
    
    
    
    
       △
     
    注意：制得的N2、H2需要凈化，清除雜質(zhì)，以防止催化劑“中毒”。
    2.合成氨反應(yīng)的特點
        化學(xué)反應(yīng)：N2+3H2 2NH3  ;  △H=-92.4KJ/mol
      （1）可逆反應(yīng)； （2）正反應(yīng)是放熱反應(yīng)； （3）正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。
    3．工業(yè)合成氨適宜條件的選擇
    在實際生產(chǎn)中，需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面情況，以確定最佳的生產(chǎn)條件。
    4. 圖示合成氨的原理
    


    
 
    
  
 
    
 
    
  
  
 
    

    

 
     
     
     
     
     
     
     
     
    3．例題精講
    例1 下列說法，能夠用勒沙特列原理來解釋的是（    ）
    A.    
加入催化劑可以提高單位時間氨的產(chǎn)量
    B.     
高壓有利于氨的合成反應(yīng)
       C.  500℃高溫比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)
       D.  恒溫恒容下，在合成氨平衡體系中充入He，使壓強增大，則平衡正向移動，NH3增多
    [解析]
     A. 加入催化劑只能加快反應(yīng)速率，縮短到達平衡的時間，提高“單位時間”的產(chǎn)量，不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動。注意：催化劑能相同倍數(shù)地改變正、逆反應(yīng)速率，故而不改變化學(xué)平衡狀態(tài)。
    B. 合成氨是一個氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強，使平衡正方向移動，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。
    C. 因為合成氨是一個放熱反應(yīng)，所以從化學(xué)平衡移動角度分析，應(yīng)采用較低溫度。500℃高溫較室溫不利于平衡向合成氨方向移動。采用500℃既考慮到溫度對速率的影響，更主要的是500℃左右催化劑活性最大。
    D. 恒溫恒容下充He，惰性氣體He不與N2、H2、NH3反應(yīng)。雖總壓強增大了，實際上平衡體系各成分濃度不變（即分壓不變）所以平衡不移動，NH3的產(chǎn)量不變。
    [答案] B
    [點評]
     勒沙特列原理是說改變影響平衡的一個條件，平衡就向能夠減弱這種改變的方法移動。不要混淆影響速率的條件和影響平衡的條件。
    例2：合成氨工業(yè)中，原料氣(N2，H2及少量的CO，NH3的混合氣)在進入合成塔前常用乙酸二氨合銅(Ⅰ)溶液來吸收原料氣中CO，其反應(yīng)為：
    [Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac?CO；△H<0
    (1)必須除去原料氣中CO的原因是什么？
    (2)吸收CO的生產(chǎn)適宜條件是什么？
    (3)吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，再生的適宜條件是什么？
    [解析] 
    合成氨工業(yè)中要使用催化劑，某些物質(zhì)會使催化劑的活性降低甚至消失，從而發(fā)生催化劑中毒。故必須除去原料氣中CO。根據(jù)吸收原料氣中CO的反應(yīng)方程式：
    [Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac?CO；△H<0
    可知，加壓和采取較低的溫度可使平衡向正反應(yīng)方向移動，有利于CO的吸收。要使吸收CO后的乙酸銅氨液經(jīng)過適當處理后又可再生，恢復(fù)其吸收CO的能力以供循環(huán)使用，只要使平衡向逆反應(yīng)方向移動即可。
    答案：(1)防止催化劑中毒；(2)低溫、高壓；(3)高溫、低壓。
    [點評] 在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，適宜生產(chǎn)條件的選擇需要考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原料選擇、產(chǎn)量和設(shè)備等多方面因素。
    例3溫度、催化劑不變，向某一固定體積的密閉容器內(nèi)按下列各組物質(zhì)的量加入H2、N2、NH3，反應(yīng)達平衡時；氨氣濃度最大的一組是（   ）
     
    A
    B
    C
    D
    H2
    6
    1
    3.5
    5
    N2
    2
    0
    1
    1.5
    NH3
    0
    4
    2
    1
     [分析]    2NH3       N2＋ 3H2.根據(jù)反應(yīng)“一邊倒”換算.
    
     B      0       2    6＋1＝7
    
          C      0       2    3＋3.5＝6.5
    
     D      0       2    1.5＋5＝6.5
    
    由此可知，符合題意的是B.
    [解答] B
    [小結(jié)] 可逆反應(yīng)，在條件相同時（等溫等容），若達到等同平衡，其初始狀態(tài)必須能互變，從極限角度看，就是各物質(zhì)的物質(zhì)的量要相當.因此可以采用一邊倒的原則來處理以下問題：
    
    （1）化學(xué)平衡等同條件（等溫等容）
    
        
aA(g)＋bB(g)    cC(g)
    
    ①始  a      b       
0   平衡態(tài)Ⅰ
    
    ②始  0      0        c   平衡態(tài)Ⅱ
    
    ③始  x      y       
z   平衡態(tài)Ⅲ
    
    為了使平衡Ⅲ ＝Ⅱ＝Ⅰ
    
    根據(jù)“一邊倒”原則，即可得
    
    x＋z＝a           
＋＝1
    
    y＋z＝b           
＋＝1
    例4合成氨工廠常通過測定反應(yīng)前后混合氣體的密度來確定氮的轉(zhuǎn)化率。某工廠測得合成塔中N2、H2混合氣體的密度為0.5536g/L(標準狀況)，從合成塔中出來的混合氣體在相同條件下密度為0.693g/L(標準狀況)。求該合成氨廠N2的轉(zhuǎn)化率。
    [解析]
    由于題目中沒有告訴起始物質(zhì)的量，也沒有說明N2、H2是按化學(xué)方程式中物質(zhì)的計量數(shù)投放物料，因此部分學(xué)生就假設(shè)N2為1molH2為3mol，進行解題，依據(jù)是不足的。故本題解答時只能設(shè)反應(yīng)前混合氣體中氮氣的物質(zhì)的量分數(shù)為x，氫氣物質(zhì)的量分數(shù)為(1-x)，依題意得：
    28x+2(1-x)=0.5536×22.4
    設(shè)起始有氮氣2mol，氫氣為3mol，氮氣轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為y，
    N2　 +　 3H2　
　　2NH3
    起始物質(zhì)的量　　　　2mol　　　 3mol　　　　　　 0mol
    轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量　　　　ymol　　　 3ymol　　　　　 2ymol
    平衡物質(zhì)的量　　　  2-ymol　   3-3ymol　　　　 2ymol
    n總=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol
    根據(jù)反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒可知
    解得　 y=0.5mol
    [答案]25%
    [點評] 
    本題是一道化學(xué)平衡綜合計算題，考查學(xué)生綜合計算的解題能力。正確的計算方法應(yīng)是先由兩種混合氣體的密度，分別計算出反應(yīng)前后兩種混合氣體的平均式量，由氫氨混合氣的平均式量求出反應(yīng)氣體中氫氣、氮氣的體積比，再按合成氨化學(xué)反應(yīng)中有關(guān)起始，轉(zhuǎn)化、平衡物質(zhì)的量的關(guān)系及平衡時混合氣體的平均式量，從而求出氮氣的轉(zhuǎn)化率。
     
     
     
     
     
     
     
    4．實戰(zhàn)演練
    一、選擇題
    1．下列有關(guān)合成氨工業(yè)的敘述，可用勒夏特列原理來解釋的是       （      ）
    A．使用鐵觸媒，使N2和H2混合氣體有利于合成氨
    B．高壓比低壓條件更有利于合成氨的反應(yīng)
    C．500℃左右比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)
    D．合成氨時采用循環(huán)操作，可提高原料的利用率
    

    試題詳情
    

    2．對于可逆反應(yīng)：N2(g)
+ 3H2(g) 


    • 
 
    
  
  
    <dl id="ykpzi"></dl>
    <nobr id="ykpzi"><acronym id="ykpzi"><nav id="ykpzi"></nav></acronym></nobr>
    <thead id="ykpzi"><label id="ykpzi"></label></thead>
  • 
   
    
    
    
    
    
     
    A．達到平衡時，NH3的生成速率等于NH3的分解速率
    B．達到平衡時，反應(yīng)物和生成物的濃度一定相等
    C．達到平衡時，若加入N2，在重新達平衡時，NH3的濃度比原平衡時增大，H2的濃度比原平衡時減小
    D．達到平衡時，若升高溫度，加快了吸熱反應(yīng)的速率，降低了放熱反應(yīng)的速率，所以平衡向逆反應(yīng)方向移動
    

    試題詳情
    

    3．工業(yè)上合成氨時一般采用500℃左右的溫度，其原因是             
（      ）
    ⑴適當提高氨的合成速率       ⑵提高H2的轉(zhuǎn)化率
    ⑶提高氨的產(chǎn)率              
⑷催化劑在500℃時活性最大
    A．只有⑴            
B．⑴⑵          
C．⑵⑶⑷         
D．⑴⑷
    

    試題詳情
    

    4．將H2和N2的混合氣體通入合成塔中，經(jīng)過1個小時達到平衡，此時N2、H2、NH3的濃度分別為3、7、4（單位均為mol/L），則以下敘述正確的          （       ）
    

    試題詳情
    

    ①N2的反應(yīng)速率為2mol/(L?h) ②H2的反應(yīng)速率為7 mol/(L?h) ③H2的起始濃度為13mol/L④N2起始濃度為2 mol/L ⑤H2的轉(zhuǎn)化率為46.2%
    A．①②        B．②⑤        C．①③⑤        D．②④
    

    試題詳情
    

      5．有平衡體系：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，工廠應(yīng)采取的正確措施是                              （     ）
    A.高溫、高壓           
B.適宜溫度、高壓、催化劑
    C.低溫、低壓           
D.低溫、高壓、催化劑
    

    試題詳情
    

    6．二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g) N2O4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。在測定NO2的相對分子質(zhì)量時，下列條件中較為適宜的是                   （      ）
    

    試題詳情
    

    A、溫度130℃、壓強3.03×105Pa         
B、溫度25℃、壓強1.01×105Pa
    

    試題詳情
    

    C、溫度130℃、壓強5.05×104Pa         
D、溫度0℃、壓強5.05×104Pa
    

    試題詳情
    

    7．在N2 +3H2   2NH3的平衡體系中，當分離出NH3時，下列說法中正確的是（      ）
    A．正反應(yīng)速率增大                        
B．平衡向逆反應(yīng)方向移動
    C．正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率             
D．逆反應(yīng)速率先變小后變大 
    

    試題詳情
    

    8．合成氨所需的氫氣由煤和水發(fā)生反應(yīng)制得，其中一步反應(yīng)為：
    

    試題詳情
    

    CO + H2O(g)  CO2 + H2(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))。要使CO轉(zhuǎn)化率提高，（      ）
    A．增大H2O(g)的濃度            
B．增大CO的濃度
    C．降低溫度                     
D．增大壓強
    

    試題詳情
    

    二、填空題
    1．一定溫度下某密閉容器中進行反應(yīng)：N2
+3H22NH3
，達平衡后
    ①保持容器體積一定，通入N2，平衡               
移動。
    ②保持容器體積一定，通入Ar，平衡               
移動。
    ③保持容器壓強一定，通入Ar，平衡               
移動。
    ④保持容器體積一定，通入N2、H2、NH3，使?jié)舛榷甲優(yōu)樵瓉淼?倍，平衡        
移動。
    

    試題詳情
    

    2．在一定條件下，1molN2和3molH2混合后反應(yīng)，達到平衡時測得平衡混合物的密度是同溫同壓下氫氣的5倍，則氮氣的轉(zhuǎn)化率是          
。若在同一個容器中，在相同的溫度下，向容器中充入NH3，為使達到平衡時各成分的百分含量與上述平衡時相同，則起始時充入的NH3的物質(zhì)的量為          
。
    

    試題詳情
    

    三、計算題
    恒溫下，將amolN2與bmolH2的混合氣體通入一個固定容積的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
    （1）若反應(yīng)進行到某時刻t時，nt（N2）=13mol，nt（NH3）=6mol，計算a的值。
     
     
     
     
    

    試題詳情
    

    （2）反應(yīng)達平衡時，混合氣體的體積為716.8L（標準狀況下），其中NH3的含量（體積分數(shù)）為25%。計算平衡時NH3的物質(zhì)的量。
     
     
     
     
    （3）原混合氣體與平衡混合氣體的總物質(zhì)的量之比（寫出最簡整數(shù)比，下同），n（始）∶n（平）=               
。
    （4）原混合氣體中，a∶b=               
。
    （5）達到平衡時，N2和H2的轉(zhuǎn)化率之比，α（N2）∶α（H2）=              
。
    （6）平衡混合氣體中，n（N2）∶n（H­2）∶n（NH3）=                 
。
    

    試題詳情
    

    一、選擇題
    1.  BD 2. A  3. D  4. C  5. B  6. C  7. CD  8. AC
    二、填空題
    1.向右、不、向左、向右
    2.30％、 2mol
    三、計算題
    （1）a=16  （2）8mol 
（3）5：4 
（4）2：3 

    
				
	
    
		
    


    同步練習冊答案