合成氨条件的选择 姓 名_________一.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。
二. 具体内容自学提纲：1. 影响化学反应速率的因素有哪些？是如何影响的？2. 影响化学平衡的条件有哪些？是如何影响的？3. 应用化学平衡原理分析，要制得更多的氨，可以采用哪些措施？（一）原理唯物辩证法告诉我们：一切从实际出发，要全面地分析问题．综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的条件，再根据工业生产的特点和实际需要，才能正确地选择合成氨工业的适宜条件。
（二）适宜条件的选择1. 压强。
增大压强，有利于3NH 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 MPa 20～MPa 50。
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，反应速率就慢，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2N 分子非常稳定， 2N 与 2H 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）生产过程简介1. 原料气的制备：N 2来自空气H 2： 原料：空气、水和燃料据反应条件，使用合适的催化剂——防止催化剂“中毒”——原料气要净化．高压生产——氮、氢混合气要用压缩机压缩到高压。
2. 氨的合成：氮、氢混合气经过净化压缩以后进入合成塔。
合成塔生产的特点和条件：① 高压 ② 发生在催化剂存在下的放热反应 ③ 适当的温度 为了符合这些条件，合成塔的构造应该： ① 有耐高压的厚壁 ② 有能够安放厚层触媒的设备（接触室） ③ 塔壳外用绝热材料包裹，塔内有进行热交换的设备（热交换器）展示 挂图（一种合成塔的内部构造示意图）依次看氨合成塔的部构造模型。
3. 氨的分离在实际生产中，不断补充、（增大反应物浓度），采取迅速冷却的方法（减小生成物浓度），使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡不断地向着生成的方向移动。
利用氨易液化的性质，将混合气体降温，使氨液化。
工业上让混合气通过冷凝器，使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来，导入液氨贮罐。
经气体分离器出来的气体，通过循环压缩机，再送到合成塔里。
使没有起反应的物质从反应后的生成物里分离出来，并重新回到反应器里去，这种工艺过程叫做循环操作过程。
归纳合成氨的简要流程（四）化学模拟生物固氮氮的固定：将游离态的氮转化为化合态氮的过程叫氮的固定。
1. 人工合成氨：化学固氮法。
其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。
2. 根瘤菌，生物固氮。
常温常压下进行。
成本低、转化率高、效率高。
模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。
【典型例题】[例1] 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2] 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NH 3B. 恒温、恒容时，充入N 2C. 恒温、恒压时，充入HeD. 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NH 3会改变NH 3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NH 3，这时由于NH 3的浓度增大，平衡会向NH 3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NH 3分解的方向移动。
所以，在恒温、恒压下充入NH 3，会使平衡向NH 3分解的方向移动。
B 项，在恒温、恒容下充入N 2，会使N 2的浓度增大、从而使平衡向生成NH 3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NH 3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[例3] 合成氨反应中，若合成塔进口时N 2、H 2、NH 3的体积之比为3:15:5。
出口时N 2、H 2、NH 3的体积之比为8:27:9，则N 2的转化率为（ ）A. 10％ B. 20％ C. 30% D. 40%分析： 欲求N 2的转化率就要知道N 2的起始量（进口量）和转化量（变化量）。
题中未直接给出N 2的起始量，却给出了进口时N 2、H 2、NH 3的体积之比，可据此进行假设。
设进口时N 2、H 2、NH 3的物质的量分别为5mol 、15mol 、3mol ，至出口时有xmolN 2转化成NH 3。
223H N +32NH 进口量（mol ）5 15 3变化量（mol ）x 3x 2x出口量（mol ）x -5 x 315- x 23+依题意可得：（x -5）:（3+2x ）=9:8，x= 0.5（mol ）。
N 2的转化率为：%10%10055.0%100=⨯=⨯mol mol进口量变化量故选A 。
答案：A[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N 2、H 2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N 2的转化率。
分析：由于题目中没有告诉起始物质的量，也没有说明N 2、H 2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N 2为1molH 2为3mol ，进行解题，依据是不足的。
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，求出氮气的转化率。
解：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：4.225536.0)1(228⨯=-+x x 解得：4.0=x ∴ 326.04.022==H N n n 设起始有氮气2mol ，氢气为3mol ，氮气转化的物质的量为y ，N2 + 3H 2 2NH 3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 2ymoln 总=mol y ymol mol y mol y )25(2)33()2(-=+-+- 根据反应前后气体质量守恒可知解得 y= 0.5 mol 答：N 2的转化率为25％。
[例5] 在硫酸工业生产中，将SO 2转化为SO 3，回答： （1）在生产中常用过量的空气是为了______；（2）加热到400——500℃是由于______；（3）压强应采用（加压、常压）______，原因是______；（4）常用浓硫酸来吸收SO 3，而不是用水，是因为______；（5）尾气中的SO 2必须回收，是为了______。
分析：本题主要考查在硫酸工业中，运用勒沙特列原理选择SO 2转化为SO 3的适宜条件的能力。
（1）从增大某一反应物浓度，使平衡向生成物方向移动，另一反应物的转化率必提高去分析；（2）温度的选择从反应速率快慢、催化剂的活性温度两方面考虑； （3）压强从对平衡移动、设备及动力系统的要求两方面考虑； （4）从吸收过程中发生的反应对吸收速率的影响去分析；（5）从保护环境考虑。
答案：（1）增大氧气浓度，使平衡向正反应方向移动，提高了二氧化硫的转化率，使成本较高的二氧化硫得到充分利用。
（2）400℃——500℃是催化剂的活性温度，选择此温度可提高反应速率，缩短到达平衡所需的时间。
（3）常压．因为常压下SO 3体积分数已达91％，若再加压对设备及动力系统要求高，成本高，不适宜。
（4）用水吸收SO 3会形成酸雾，使吸收速率减慢。
（5）减少对环境的污染。
【模拟试题】一. 选择题(每小题有一个或两个选项符合题意)1. 在N2+3H 2 2NH 3（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① 适当提高氨的合成速率，②提高H 2的转化率，③ 提高氨的产率，④ 催化剂在500℃时活性最大（ ）A. ① B. ①②C. ②③④D. ①④3. 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NH 3的日产量，不断将NH 3分离出来B. 为增加NH 3的日产量，使用催化剂C. 为增加NH 3的日产量，采用500℃左右的高温D. 为增加NH 3的日产量而采用2×107～5×107Pa 的压强4. 在带有活塞的密闭容器中压入5molH 2和5molN 2，在某温度下经反应生成2mol NH 3，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 2O CO 2+H 2（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 NH 3的密闭容器a 加热，部分NH 3分解，并达到平衡，此时NH 3的体积分数是x ％。