2019-2020年高二化學 合成氨條件的選擇知識精講 人教版第二冊.doc

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2019-2020 年高二化學 合成氨條件的選擇知識精講 人教版第二冊 【本講教育信息】 一. 教學內容： 合成氨條件的選擇 二. 重點、難點 1. 使學生理解合成氨的化學原理，并能應用化學反應速率和化學平衡理論，選擇合成氨 的適宜條件，從而培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。 2. 了解合成氨工業(yè)生產的主要流程。 3. 向學生介紹我國解放后合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，對學生進行愛國主義教育。 三. 具體內容 （一）原理 1 體積 3 體積 2 體積（正反應放熱） 合成氨反應 分析角度 反應要求 外界條件 使氨生成得快 （從化學反應速率分析） 使氨生成得多 （從化學平衡分析） 壓強 （高壓） （高壓） 溫度 （高溫） （低溫） 是否要用催化劑 （使用） （不影響） （二）適宜條件的選擇 1. 壓強。增大壓強，有利于的合成，但在實際生產中，壓強不可能無限制的增大，因為 壓強越大，需要的動力越大，對材料的強度和設備的制造要求也越高，勢必增大生產成本， 降低綜合經(jīng)濟效益。因此，受動力、材料、設備等條件的限制，目前我國合成氨廠一般采 用的壓強是。 2. 溫度。合成氨為放熱反應，低溫有利于氨的生成。但是溫度越低，反應速率越慢，到 達平衡所需要的時間越長，因而單位時間內產量低，這在工業(yè)生產中是很不經(jīng)濟的。綜合 考慮各種因素，在實際生產上，采用 500℃的溫度，此時催化劑的活性最大。 3. 催化劑。由于分子非常穩(wěn)定， 與 的化合十分困難，即使采用了加熱與高壓的條件， 合成氨的反應還是十分緩慢。為了加快化合反應速率，降低反應所需要的能量，合成氨工 業(yè)普遍使用鐵觸媒作催化劑。 合成氨的化學反應原理可以用以下化學方程式表示： （三）綜合分析： 1. 增加與的體積比，并不斷分離出，同時補充和的濃度。 2. 增大壓強為設備鋼板能承受的程度，一般為～。 3. 由于催化劑活性的需要應掌握在 500℃。 【典型例題】 [例 1] 在某容積一定的密閉容器中，可逆反應：，符合下列圖象（I）所示關系。由此推斷 對圖象（II）的正確說法是（ ） A. ，Y 軸表示 A 的轉化率 B. ，Y 軸表示 B 的百分含量 C. ，Y 軸表示混合氣體的密度 D. ，Y 軸表示混合氣體的平均相對分子質量 c%T1P2abt I II 解析：依圖（I）中，確定 P，看 T1、T 2 曲線，先拐說明先達到平衡，由此可知；同樣 確定 T，看 P1、 P2 曲線，由先拐先平，可知；再觀察曲線與縱坐標關系，可知當 T↑c%↓，則平衡向左移動，正反應為放熱反應，P↑c%↑，則平衡向右移動， ， 。由圖 （I）所得結論，分析圖 II，可知 y 代表 A 的轉化率，還可表示混合氣體的平均相對分子質 量。 答案：A、D [例 2] 將加入到 V 升的反應器中，在高溫下放電，經(jīng)建立了平衡體系： ，此時測知的轉 化率為 30%，下列圖象能正確表示氣體的物質的量濃度（m）跟時間（t）的關系的是（ ） tO23t1O31m2t321t 3 Ot A BtO23t1312t321t C D 解析：根據(jù)題意可知如下幾點： （1）O 2 轉化率為 30%。 （2）開始反應器中無 O3，經(jīng)計算又可知，但平衡時，則 A、B 、D 錯誤。 答案：C [例 3] 在容積不同的密閉容器內，分別充入同量的和，在不同溫度下，任其發(fā)生反應：， 并分別在 t 秒時測定其中的體積百分含量，如圖。 （1）A、B、C、D、E 五點中，尚未達到化學平衡狀態(tài)的點是 。 （2）此可逆反應的正反應是 （反應） （填“放熱”或“吸熱” ） 。 （3）A、C 段的曲線是增函數(shù)，C、E 段曲線是減函數(shù)，試從反應速率和化學平衡的 角度說明理由： 。 解析：首先弄懂此圖的涵義，從 0→C 是平衡前，由于正反應是放熱反應，隨反應進 行，%↑ ，T 升高，從 C→E 是平衡時，T 升高，平衡向←移動，%下降。 答案： （1）A、B； （2）放熱； （3）C 點生成%最高，是平衡點，在 A——C 段平衡前，C——E 段升高溫度，%含量 減少，正向放熱，升溫平衡逆向移動。 [例 4] 合成氨所用的可由煤與水反應制得，其中有一步反應為，欲提高 CO 轉化率可采用 的方法有：① 降低溫度；② 增加壓強；③ 使用催化劑；④ 增大 CO 的濃度；⑤ 增大水 蒸氣的濃度；其中正確的組合是（ ） A. ①②③④⑤ B. ①⑤ C. ①④⑤ D. 只有⑤ 解析：該反應是一個氣體總體積不變的放熱反應，欲提高 CO 的轉化率，可設法使化 學平衡向正反應方向移動，顯然降低溫度可以滿足這一要求，增加水蒸氣的濃度，平衡向 正反應方向轉動，CO 的轉化率也可以增大；但若增加 CO 的濃度，平衡雖然向右移動，但 CO 的總量增大，其轉化率反而減小，增大壓強的使用催化劑的操作只能加快反應速率， 縮短達平衡的時間，而與平衡時 CO 的轉化率無關。 答案：B [例 5] 下列事實不能用勒沙特列原理解釋的是（ ） A. 加入催化劑有利于合成氨的反應 B. 高壓有利于合成氨的反應 C. 500℃有利于合成氨的反應 D. 將混合氣體中的氨氣液化有利于合成氨反應 答案：AC 解析：合成氨的反應是一個氣體體積縮小的放熱反應，加壓能使平衡向生成氨的方向 移動，升溫不利于生成氨，但能使催化劑活性大，提高反應速率；將氨液化降低氨氣濃度， 平衡向生成氨氣方向移動；催化劑只能提高反應速率，縮短達到平衡的時間。 [例 6] 在一定條件下，合成氨反應到達平衡狀態(tài)，此時，再進行如下操作，平衡不發(fā)生移 動的是（ ） A. 恒溫、恒壓時，充入 NH3 B. 恒溫、恒容時，充入 N2 C. 恒溫、恒壓時，充入 He D. 恒溫、恒容時，充入 He 解析：在一定溫度下，向平衡混合氣體中加入不參與反應的氣體，若體積未改變，則 對平衡無影響；若體積增大，則對平衡有影響，其影響情況與不加入該氣體而增大體積時 對平衡的影響情況相同。 同時改變影響平衡的兩個條件時，為使平衡移動情況變得有規(guī)律可循，一般需要設計 另外一條到達同一平衡狀態(tài)的途徑，即先只改變其中一個條件，再改變另一個條件。 該題需應用平衡移動原理對題給選項逐項分析。A 項，充入 NH3 會改變 NH3 的濃度， 對平衡有影響；為保持恒壓，須增大體積，對平衡也有影響。為便于判斷平衡移動的方向， 可這樣設想：先在恒溫、恒容下充入 NH3，這時由于 NH3 的濃度增大，平衡會向 NH3 分解 的方向移動；再在恒溫下增大體積（即減小壓強） ，使壓強與原平衡相等，這時平衡也會向 NH3 分解的方向移動．所以，在恒溫、恒壓下充入 NH3，會使平衡向 NH3 分解的方向移動。 B 項，在恒溫、恒容下充入 N2，會使 N2 的濃度增大、從而使平衡向生成 NH3 的方向移動。 C 項，He 不參與化學反應，但在恒溫、恒壓下充入 He，必須引起體積增大，這如同減小 平衡混合氣體的壓強，平衡會向 NH3 分解的方向移動。D 項，在恒溫、恒容下充入 He， 由于平衡混合物中任一組分的濃度均未改變，所以平衡不移動。應選 D。 答案：D 【模擬試題】 （答題時間：40 分鐘） 一. 選擇題（每小題有一個或兩個選項符合題意） 1. 在 N2+3H2 2NH3（正反應為放熱）的平衡體系中，保持溫度不變，充入氬氣，使容器 體積和壓強均增大一倍，此時平衡將（ ） A. 不移動 B. 向正反應方向移動 C. 向逆反應方向移動 D. 不能確定是否移動 2. 工業(yè)上合成氨時一般采用 500℃左右的溫度，其原因是（ ） ① 適當提高氨的合成速率， ②提高 H2 的轉化率， ③ 提高氨的產率， ④ 催化劑在 500℃時活性最大 A. ① B. ①② C. ②③④ D. ①④ 3. 在合成氨工業(yè)中，實現(xiàn)下列目的變化過程中與平衡移動無關的是（ ） A. 為增加 NH3 的日產量，不斷將 NH3 分離出來 B. 為增加 NH3 的日產量，使用催化劑 C. 為增加 NH3 的日產量，采用 500℃左右的高溫 D. 為增加 NH3 的日產量而采用 2107～510 7Pa 的壓強 4. 在帶有活塞的密閉容器中壓入 5molH2 和 5molN2，在某溫度下經(jīng)反應生成 2mol NH3， 若此時容器的壓強不變，則容器體積是反應前的（ ） A. 2 倍 B. 1.5 倍 C. 0.8 倍 D. 0.5 倍 5. 合成氨所需的氫氣由煤與水發(fā)生反應制得，其中一步反應為：CO+H 2OCO2+H2（正反 應為放熱） ，要使 CO 轉化率提高，可采用下列措施中的（ ） A. 增大水蒸氣的濃度 B. 增大 CO 的濃度 C. 降低溫度 D. 增大壓強 6. 將含 1mol NH3 的密閉容器 a 加熱，部分 NH3 分解，并達到平衡，此時 NH3 的體積分 數(shù)是 x％。若在該容器中加入 2mol NH3 后密封，加熱到相同溫度，使反應達到平衡時，設 此時 NH3 的體積分數(shù)為 y％，則 x 和 y 的正確關系是（ ） A. x＞y B. x＜y C. x= y D. x≥y 7. 在一定條件下，可逆反應 x（氣）+3y（氣）2z（氣）達到平衡時，有 37.5％的 y 轉化 為 z，有 25％的 x 轉化為 z。則起始時，充入容器中的 x 和 y 的物質的量之比為（ ） A. 1:3 B. 3:1 C. 3:2 D. 1:2 8. 在固定容積的密閉容器中，氮與氫合成氨的反應達到了平衡，此時容器中含有 0.1mol N2、0.3mol H2 和 0.1mol NH3，若維持原來的條件，向該容器中再同時加入 0.1mol N2、0.3mol H 2 和 0.1mol NH3，則（ ） A. 正、逆反應速率同時增大，化學平衡不移動 B. 正、逆反應速率同時增大，混合氣體中 NH3 的體積分數(shù)增大 C. 正、逆反應速率同時增大，化學平衡向逆反應方向移動 D. 正、逆反應速率不變，化學平衡不移動 9. 下面是合成氨的簡要流程示意圖： 沿 X 路線回去的物質是（ ） A. N2 和 H2 B. 催化劑 C. NH3 D. H2 10. 工業(yè)上用以合成氨的原料氣——氫氣，來源之一是取自石油氣，如用丙烷在一定條 件下與水反應：C 3H8+H2O→ CO2+H2，按此原理 1mol 丙烷最多可制氨氣約為（ ） A. 4mol B. 10mol C. 2.7mol D. 6.6mol 二. 填空題 11. 工業(yè)上合成氨的反應為 N2（氣）+3H 2（氣）2NH 3（氣）反應放熱 92.4kJ。 （1）使用鐵觸媒作催化劑是為了________。 （2）通常采用 2107Pa～510 7Pa 的壓強，原因是________。 （3）選擇 500℃左右的溫度進行反應，是由于________。 （4）將生成的氨及時從混合氣中分離出來，原因是________。 12. 在標準狀況下，將 67.2L 氮氣和 44.8L 氫氣混合，在一定條件下使之反應合成氨氣， 反應達到平衡時，測得反應后的混合氣體中氨的體積分數(shù)為 30％。 （1）平衡時反應混合物在標準狀況下的總體積是________。 （2）平衡時混合氣體中氮氣的體積分數(shù)是 。 13. 合成氨工業(yè)采用高壓條件進行反應；接觸法制硫酸工業(yè)采用常壓條件進行反應，其 理由是________。 三. 計算題 14. 將 N2 和 H2 按一定比例混合，在相同狀況下其密度是 H2 的 3.6 倍。取 0.5mol 該混合 氣體充入密閉容器內，使之發(fā)生反應并在一定條件下達到平衡。已知反應達平衡后容器內 壓強是相同條件下反應前壓強的 0.76 倍。試求： （1）反應前混合氣體中 N2 和 H2 的體積比； （2）達到平衡時混合氣體中氨的物質的量； （3）平衡時 N2 的轉化率。 15. 在密閉容器中充入體積比為 1:3 的 N2、H 2，平衡時測得混合氣體中 NH3 的體積分數(shù) 為 20％，則此時容器內的壓強與開始時的壓強比是多少？ 16. 有平均式量為 8.5 的氫氮混合氣體，通過合成塔后出來的混合氣體的平均式量為 9.4，求 H2 的轉化率。 【試題答案】 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）提高反應速率。 （2）該反應是一個氣體體積數(shù)減小的反應，增大壓強，有利于平衡向右移動。 （3）合成氨的反應是放熱反應，溫度升高，不利于氨的生成，但溫度過低，反應速率 很慢，故需采用 500℃左右的適宜溫度，且 500℃左右時催化劑的活性最大。 （4）減小生成物氨的濃度，有利于化學平衡向右移動。 12. （1）86.2L （2）62.96％ 13. 合成氨的反應是一個氣體體積減小的反應，高壓有利于平衡向右移動，制 SO3 的反 應：2SO 2+O2 2SO3 盡管也是一個氣體體積減小的反應，但在常壓下 SO2 的轉化率已較高。 三. 14. （1） （2） （3） 15. 16. 19.15%