高考化学考点解析例题精讲与训练合成氨条件的选择

高考化学考点解析例题精讲与训练合成氨条件的选择

高考化学考点解析、例题精讲与训练：合成氨条件的选择 ‎1．复习重点 ‎1．如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。 ‎ ‎2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。‎ ‎2．难点聚焦 ‎1．合成氨条件的选择 工业上用N2和H2合成氨：‎ ‎ N2+3H2 2NH3+Q ‎ 从反应速率和化学平衡两方面看，选择什么样的操作条件才有利于提高生产效率和降低成本呢？‎ ‎ 从速率看，温度高、压强大（即N2、H2浓度大）都会提高反应速率；‎ ‎ 从化学平衡看，温度低、压强大都有利于提高N2和H2的转化率。‎ ‎ 可见，压强增大，从反应速率和化学平衡看都是有利于合成氨的。但从生产实际考虑，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越高，将使成本增大。故一般合成氨厂采用的压强是20~50MPa帕斯卡。‎ 而温度升高，有利于反应速率但不利于N2和H2的转化率。‎ 如何在较低的温度下保持较大转化率的情况下，尽可能加快反应速率呢？选用合适的催化剂能达到这个目的。那么，较低的温度是低到什么限度呢？不能低于所用催化剂的活性温度。目前使用的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂——又称铁触媒。其活性温度为450℃~550℃，即温度应在450~550℃为宜。将来如制出活性温度更低、活性也很在的新型催化剂时，合成氨使用的温度当然比现在要低，转化率就能更高了。‎ 选择适宜的条件：根据N2+3H2 2NH3+Q这一反应的特点，运用化学反应速 率和化学平衡的理论来选择适宜条件。该反应为可逆、体积减小、正反应为放热等特点。‎ ‎（1）适宜的压强：为何强调适宜？压强越大、有利于NH3的合成，但太大，所需动力大，材料强度高，设备制造要求高，成本提高，选择2×107~5×107Pa压强。‎ 思考：工业上生产H2SO4：2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)为何不采用加压方法？（因为在常压下SO2的转化率已达91%，不需要再加压）‎ ‎（2）适宜的温度：温度越低越有利于NH3的合成，为何还要选择5000C高温？因为温度越低，反应速率越小，达平衡时间长，单位时间产量低，另外5000C时，催化剂活性最大。‎ ‎（3）使用催化剂 ‎（4）及时分离出NH3，并不断补充N2和H2（N2要过量，提高成本较高的H2转化率）‎ 小结：合成氨的适宜条件：‎ ‎ 压强：20~50MPa帕斯卡 ‎ 温度：500℃左右 ‎ 催化剂：铁触媒 ‎2．合成氨工业简述 蒸发 ‎1．原料气的制备、净化 压缩 ‎① 制N2： ‎ 物理方法： 空气 液态空气 N2 ‎ ‎（去CO2）‎ 燃烧 炭 化学方法： 空气 CO2+N2 N2 ‎ H2O ‎②制H2：‎ ‎（去CO2）‎ 催化剂 ‎ 赤热炭 水蒸气 CO+H2 CO2+H2 H2 ‎ 催化剂 ‎ 反应方程式为：‎ ‎ △‎ ‎ △‎ C+H2O（g）==== CO+H2；CO+H2O（g）==== CO2+H2‎ 注意：制得的N2、H2需要净化，清除杂质，以防止催化剂“中毒”。‎ ‎2.合成氨反应的特点 ‎ 化学反应：N2+3H2 2NH3 ; △H=-92.4KJ/mol ‎ （1）可逆反应； （2）正反应是放热反应； （3）正反应是气体体积缩小的反应。‎ ‎3．工业合成氨适宜条件的选择 在实际生产中，需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况，以确定最佳的生产条件。‎ ‎4. 图示合成氨的原理 ‎3．例题精讲 例1 下列说法，能够用勒沙特列原理来解释的是（ ）‎ A. 加入催化剂可以提高单位时间氨的产量 B. 高压有利于氨的合成反应 ‎ C. 500℃高温比室温更有利于合成氨的反应 ‎ D. 恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多 ‎[解析]‎ ‎ A. 加入催化剂只能加快反应速率，缩短到达平衡的时间，提高“单位时间”的产量，不能使化学平衡发生移动。注意：催化剂能相同倍数地改变正、逆反应速率，故而不改变化学平衡状态。‎ B. 合成氨是一个气体体积减小的反应，所以增大压强，使平衡正方向移动，有利于合成氨，符合勒沙特列原理。‎ C. 因为合成氨是一个放热反应，所以从化学平衡移动角度分析，应采用较低温度。500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。采用500℃既考虑到温度对速率的影响，更主要的是500℃左右催化剂活性最大。‎ D. 恒温恒容下充He，惰性气体He不与N2、H2、NH3反应。虽总压强增大了，实际上平衡体系各成分浓度不变（即分压不变）所以平衡不移动，NH3的产量不变。‎ ‎[答案] B ‎[点评]‎ ‎ 勒沙特列原理是说改变影响平衡的一个条件，平衡就向能够减弱这种改变的方法移动。不要混淆影响速率的条件和影响平衡的条件。‎ 例2：合成氨工业中，原料气(N2，H2及少量的CO，NH3的混合气)在进入合成塔前常用乙酸二氨合铜(Ⅰ)溶液来吸收原料气中CO，其反应为：‎ ‎[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac·CO；△H<0‎ ‎(1)必须除去原料气中CO的原因是什么？‎ ‎(2)吸收CO的生产适宜条件是什么？‎ ‎(3)吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，再生的适宜条件是什么？‎ ‎[解析] ‎ 合成氨工业中要使用催化剂，某些物质会使催化剂的活性降低甚至消失，从而发生催化剂中毒。故必须除去原料气中CO。根据吸收原料气中CO的反应方程式：‎ ‎[Cu(NH3)2Ac]+CO+NH3 [Cu(NH3)3]Ac·CO；△H<0‎ 可知，加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动，有利于CO的吸收。要使吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生，恢复其吸收CO的能力以供循环使用，只要使平衡向逆反应方向移动即可。‎ 答案：(1)防止催化剂中毒；(2)低温、高压；(3)高温、低压。‎ ‎[点评] 在实际工业生产过程中，适宜生产条件的选择需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面因素。‎ 例3温度、催化剂不变，向某一固定体积的密闭容器内按下列各组物质的量加入H2、N2、NH3，反应达平衡时；氨气浓度最大的一组是（ ）‎ 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.根据反应“一边倒”换算. 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，符合题意的是B.‎ ‎[解答] B ‎[小结] 可逆反应，在条件相同时（等温等容），若达到等同平衡，其初始状态必须能互变，从极限角度看，就是各物质的物质的量要相当.因此可以采用一边倒的原则来处理以下问题： （1）化学平衡等同条件（等温等容） aA(g)＋bB(g) cC(g) ①始 a b 0 平衡态Ⅰ ②始 0 0 c 平衡态Ⅱ ③始 x y z 平衡态Ⅲ 为了使平衡Ⅲ ＝Ⅱ＝Ⅰ 根据“一边倒”原则，即可得 x＋z＝a ＋＝1 y＋z＝b ＋＝1‎ 例4合成氨工厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮的转化率。某工厂测得合成塔中N2、H2混合气体的密度为0.5536g/L(标准状况)，从合成塔中出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g/L(标准状况)。求该合成氨厂N2的转化率。‎ ‎[解析]‎ 由于题目中没有告诉起始物质的量，也没有说明N2、H2是按化学方程式中物质的计量数投放物料，因此部分学生就假设N2为1molH2为3mol，进行解题，依据是不足的。故本题解答时只能设反应前混合气体中氮气的物质的量分数为x，氢气物质的量分数为(1-x)，依题意得：‎ ‎28x+2(1-x)=0.5536×22.4‎ 设起始有氮气2mol，氢气为3mol，氮气转化的物质的量为y，‎ N2　 +　 3H2　 　　2NH3‎ 起始物质的量　　　　2mol　　　 3mol　　　　　　 0mol 转化物质的量　　　　ymol　　　 3ymol　　　　　 2ymol 平衡物质的量　　　 2-ymol　 3-3ymol　　　　 2ymol n总=(2-y)mol+(3-3y)mol+2ymol=(5-2y)mol 根据反应前后气体质量守恒可知 解得　 y=0.5mol ‎[答案]25%‎ ‎[点评] ‎ 本题是一道化学平衡综合计算题，考查学生综合计算的解题能力。正确的计算方法应是先由两种混合气体的密度，分别计算出反应前后两种混合气体的平均式量，由氢氨混合气的平均式量求出反应气体中氢气、氮气的体积比，再按合成氨化学反应中有关起始，转化、平衡物质的量的关系及平衡时混合气体的平均式量，从而求出氮气的转化率。‎ ‎4．实战演练 一、选择题 ‎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．高压比低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 ‎2．对于可逆反应：N2(g) + 3H2(g) ‎ ‎ 2NH3(g) (正反应为放热反应)。下列说法中正确的是 （ ）‎ A．达到平衡时，NH3的生成速率等于NH3的分解速率 B．达到平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等 C．达到平衡时，若加入N2，在重新达平衡时，NH3的浓度比原平衡时增大，H2的浓度比原平衡时减小 D．达到平衡时，若升高温度，加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应方向移动 ‎3．工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度，其原因是 （ ）‎ ‎⑴适当提高氨的合成速率 ⑵提高H2的转化率 ‎⑶提高氨的产率 ⑷催化剂在500℃时活性最大 A．只有⑴ B．⑴⑵ C．⑵⑶⑷ D．⑴⑷‎ ‎4．将H2和N2的混合气体通入合成塔中，经过1个小时达到平衡，此时N2、H2、NH3的浓度分别为3、7、4（单位均为mol/L），则以下叙述正确的 （ ）‎ ‎①N2的反应速率为2mol/(L·h) ②H2的反应速率为7 mol/(L·h) ③H2的起始浓度为13mol/L④N2起始浓度为2 mol/L ⑤H2的转化率为46.2%‎ A．①② B．②⑤ C．①③⑤ D．②④‎ ‎ 5．有平衡体系：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)（正反应为放热反应），为了增加甲醇的产量，工厂应采取的正确措施是 （ ）‎ A.高温、高压 B.适宜温度、高压、催化剂 C.低温、低压 D.低温、高压、催化剂 ‎6．二氧化氮存在下列平衡：2NO2(g) N2O4(g)（正反应为放热反应）。在测定NO2的相对分子质量时，下列条件中较为适宜的是 （ ）‎ A、温度130℃、压强3.03×105Pa B、温度25℃、压强1.01×105Pa C、温度130℃、压强5.05×104Pa D、温度0℃、压强5.05×104Pa ‎7．在N2 +3H2 2NH3的平衡体系中，当分离出NH3时，下列说法中正确的是（ ）‎ A．正反应速率增大 B．平衡向逆反应方向移动 C．正反应速率大于逆反应速率 D．逆反应速率先变小后变大 ‎ ‎8．合成氨所需的氢气由煤和水发生反应制得，其中一步反应为：‎ CO + H2O(g) CO2 + H2(正反应为放热反应)。要使CO转化率提高，（ ）‎ A．增大H2O(g)的浓度 B．增大CO的浓度 C．降低温度 D．增大压强 二、填空题 ‎1．一定温度下某密闭容器中进行反应：N2 +3H22NH3 ，达平衡后 ‎①保持容器体积一定，通入N2，平衡 移动。‎ ‎②保持容器体积一定，通入Ar，平衡 移动。‎ ‎③保持容器压强一定，通入Ar，平衡 移动。‎ ‎④保持容器体积一定，通入N2、H2、NH3，使浓度都变为原来的2倍，平衡 移动。‎ ‎2．在一定条件下，1molN2和3molH2混合后反应，达到平衡时测得平衡混合物的密度是同温同压下氢气的5倍，则氮气的转化率是 。若在同一个容器中，在相同的温度下，向容器中充入NH3，为使达到平衡时各成分的百分含量与上述平衡时相同，则起始时充入的NH3的物质的量为 。‎ 三、计算题 恒温下，将amolN2与bmolH2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中，发生如下反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)‎ ‎（1）若反应进行到某时刻t时，nt（N2）=13mol，nt（NH3）=6mol，计算a的值。‎ ‎（2）反应达平衡时，混合气体的体积为716.8L（标准状况下），其中NH3的含量（体积分数）为25%。计算平衡时NH3的物质的量。‎ ‎（3）原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比（写出最简整数比，下同），n（始）∶n（平）= 。‎ ‎（4）原混合气体中，a∶b= 。‎ ‎（5）达到平衡时，N2和H2的转化率之比，α（N2）∶α（H2）= 。‎ ‎（6）平衡混合气体中，n（N2）∶n（H2）∶n（NH3）= 。‎ 参考答案 一、选择题 ‎1. BD 2. A 3. D 4. C 5. B 6. C 7. CD 8. AC 二、填空题 ‎1.向右、不、向左、向右 ‎2.30％、 2mol 三、计算题 ‎（1）a=16 （2）8mol （3）5：4 （4）2：3 ‎