2013高考化学考点精讲_考点30_合成氨条件的选择

2013年高考化学考点精讲之考点30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+3H22NH3+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+3H22NH3+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1．原料气的制备、净化①制N2：物理方法：空气液态空气N2化学方法：空气CO2+N2N2压缩蒸发炭燃烧（去CO2）②制H2：水蒸气CO+H2CO2+H2H2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+3H22NH3;△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赤热炭H2O催化剂（去CO2）催化剂△△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；△H0(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；△H0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（）ABCDH2613.55N22011.5NH30421[分析]2NH3N2＋3H2.根据反应“一边倒”换算.B026＋1＝7C023＋3.5＝6.5D021.5＋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ab0平衡态Ⅰ②始00c平衡态Ⅱ③始xyz平衡态Ⅲ为了使平衡Ⅲ＝Ⅱ＝Ⅰ根据“一边倒”原则，即可得x＋caz＝aax＋cz＝1y＋cbz＝bbn＋cz＝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+3H22NH3起始物质的量2mol3mol0mol转化物质的量ymol3ymol2ymol平衡物质的量2-ymol3-3ymol2ymoln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⑴B．⑴⑵C．⑵⑶⑷D．⑴⑷4．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7mol/(L·h)③H2的起始浓度为13mol/L④N2起始浓度为2mol/L⑤H2的转化率为46.2%A．①②B．②⑤C．①③⑤D．②④5．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3.03×105PaB、温度25℃、压强1.01×105PaC、温度130℃、压强5.05×104PaD、温度0℃、压强5.05×104Pa7．在N2+3H22NH3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.BD2.A3.D4.C5.B6.C7.CD8.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